بروفينت

بروفينت (يُكتب عادةً PROFINET ، وهو اختصار لـ Process Field Network ) هو معيار تقني صناعي لنقل البيانات عبر شبكة إيثرنت الصناعية ، مصمم لجمع البيانات من المعدات والتحكم بها في الأنظمة الصناعية ، ويتميز بقدرته الفائقة على نقل البيانات في ظل قيود زمنية ضيقة. وتتولى منظمة Profibus & Profinet International ، وهي منظمة جامعة مقرها كارلسروه، ألمانيا ، صيانة هذا المعيار ودعمه .

الوظائف

ملخص

تُنفّذ بروتوكولات Profinet الربط مع الأجهزة الطرفية . [ 1 ] [ 2 ] وهي تُحدد آلية الاتصال مع الأجهزة الطرفية المتصلة ميدانيًا. وتعتمد هذه البروتوكولات على مفهوم الوقت الحقيقي المتتالي. تُحدد Profinet عملية تبادل البيانات بالكامل بين وحدات التحكم (المسماة "وحدات تحكم الإدخال/الإخراج") والأجهزة (المسماة "أجهزة الإدخال/الإخراج")، بالإضافة إلى ضبط المعلمات والتشخيص. عادةً ما تكون وحدات تحكم الإدخال/الإخراج عبارة عن وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC ) أو نظام تحكم موزع (DCS) أو حاسوب صناعي (IPC )؛ بينما يمكن أن تكون أجهزة الإدخال/الإخراج متنوعة: كتل الإدخال/الإخراج، أو محركات الأقراص، أو أجهزة الاستشعار، أو المشغلات. صُمم بروتوكول Profinet لتبادل البيانات بسرعة بين الأجهزة الميدانية القائمة على شبكة إيثرنت، ويتبع نموذج المزوّد والمستهلك. [ 1 ] يمكن دمج الأجهزة الميدانية في خط Profibus فرعي بسلاسة في نظام Profinet عبر وكيل الإدخال/الإخراج (الذي يُمثل نظام ناقل فرعي). [ 3 ]

فئات المطابقة (CC)

يمكن تقسيم التطبيقات التي تستخدم تقنية Profinet وفقًا للمعيار الدولي IEC 61784-2 إلى أربع فئات مطابقة:

  • في فئة المطابقة أ (CC-A) ، تُعتمد الأجهزة فقط. أما شهادة الشركة المصنعة فهي كافية للبنية التحتية للشبكة. ولهذا السبب، يمكن استخدام الكابلات المنظمة أو شبكة محلية لاسلكية لمشتركي الهواتف المحمولة. وتوجد تطبيقات نموذجية في البنية التحتية (مثل أنفاق الطرق السريعة أو السكك الحديدية) أو في أنظمة أتمتة المباني .
  • ينص معيار المطابقة من الفئة ب (CC-B) على أن البنية التحتية للشبكة تتضمن منتجات معتمدة، وأن تكون مصممة وفقًا لإرشادات بروفينت. تساهم الكابلات المحمية في تعزيز متانة الشبكة، بينما تُسهّل المحولات المزودة بوظائف إدارة الشبكة تشخيصها، وتتيح تسجيل مخططها حسب الحاجة للتحكم في خط الإنتاج أو الآلة. تتطلب أتمتة العمليات زيادة في التوافر، وهو ما يمكن تحقيقه من خلال توفير وسائط تخزين احتياطية وأنظمة احتياطية . لكي يلتزم أي جهاز بمعيار المطابقة من الفئة ب، يجب أن يتواصل بنجاح عبر بروفينت وأن يدعم بروتوكول إدارة الشبكة البسيط (SNMP) .
  • بفضل فئة المطابقة C (CC-C) ، يمكن تنفيذ أنظمة تحديد المواقع مع حجز نطاق ترددي إضافي ومزامنة التطبيقات. كما تتواصل أجهزة فئة المطابقة C عبر بروتوكول Profinet IRT.
  • بالنسبة لفئة المطابقة D (CC-D) ، يُستخدم بروتوكول Profinet عبر الشبكات الحساسة للوقت (TSN). ويمكن تحقيق نفس الوظائف كما في فئة المطابقة C (CC-C). وعلى عكس فئتي المطابقة A وB (CC-A وCC-B)، تتم جميع الاتصالات (الدورية وغير الدورية) بين وحدة التحكم والجهاز على طبقة إيثرنت 2. وقد تم استحداث واجهة الخدمة عن بُعد (RSI) لهذا الغرض.

أنواع الأجهزة

يتكون نظام Profinet من الأجهزة التالية: [ 1 ] : 3

  • وحدة التحكم في الإدخال/الإخراج ، التي تتحكم في مهمة التشغيل الآلي.
  • جهاز الإدخال/الإخراج هو جهاز ميداني تتم مراقبته والتحكم فيه بواسطة وحدة تحكم الإدخال/الإخراج. قد يتكون جهاز الإدخال/الإخراج من عدة وحدات ووحدات فرعية.
  • برنامج IO-Supervisor هو برنامج يعتمد عادةً على جهاز كمبيوتر لضبط المعلمات وتشخيص أجهزة الإدخال والإخراج الفردية.

بنية النظام

يتألف نظام الإدخال/الإخراج الأساسي لشبكة Profinet من وحدة تحكم واحدة على الأقل تتحكم في جهاز إدخال/إخراج واحد أو أكثر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تشغيل مشرف واحد أو أكثر من مشرفي الإدخال/الإخراج مؤقتًا لأغراض هندسة أجهزة الإدخال/الإخراج عند الحاجة.

إذا كان نظاما إدخال/إخراج ضمن نفس شبكة IP ، فيمكن لوحدات التحكم في الإدخال/الإخراج مشاركة إشارة الإدخال كمدخل مشترك، حيث يكون لكل منهما حق الوصول للقراءة إلى نفس الوحدة الفرعية في جهاز الإدخال/الإخراج. [ 1 ] : 3 [ 2 ] وهذا يُسهّل دمج وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) مع وحدة تحكم منفصلة للسلامة أو التحكم في الحركة . وبالمثل، يمكن مشاركة جهاز إدخال/إخراج كامل كجهاز مشترك، [ 1 ] : 11 حيث تُخصص الوحدات الفرعية الفردية لجهاز الإدخال/الإخراج لوحدات تحكم مختلفة.

يمكن لكل جهاز أتمتة مزود بواجهة إيثرنت أن يؤدي وظائف وحدة تحكم الإدخال/الإخراج وجهاز الإدخال/الإخراج في آن واحد. فإذا كانت وحدة تحكم تابعة لوحدة تحكم أخرى تعمل كجهاز إدخال/إخراج وتتحكم في محيطها في الوقت نفسه كوحدة تحكم إدخال/إخراج، فإنه يمكن تنسيق المهام بين وحدتي التحكم دون الحاجة إلى أجهزة إضافية.

العلاقات

تُنشأ علاقة تطبيق ( AR) بين وحدة تحكم الإدخال/الإخراج وجهاز الإدخال/الإخراج. تُستخدم هذه العلاقات لتحديد علاقات الاتصال (CR) ذات خصائص مختلفة لنقل المعلمات، والتبادل الدوري للبيانات، ومعالجة الإنذارات. [ 1 ] : 4

هندسة

إن هندسة المشروع [ 1 ] : 5 [ 2 ] لنظام الإدخال والإخراج تكاد تكون مطابقة لنظام Profibus من حيث "الشكل والمظهر":

  • يصف مُصنِّع الجهاز خصائص جهاز الإدخال/الإخراج في ملف GSD (الوصف العام للمحطة). وتُستخدم في ذلك لغة GSDML (لغة ترميز GSD)، وهي لغة مبنية على XML . يُستخدم ملف GSD كأساس في بيئة هندسية لتخطيط تكوين نظام Profinet للإدخال/الإخراج.
  • تُحدد جميع أجهزة Profinet الميدانية جيرانها. [ 1 ] : 8 وهذا يعني أنه يمكن استبدال الأجهزة الميدانية في حالة حدوث عطل دون الحاجة إلى أدوات إضافية أو معرفة مسبقة. ومن خلال قراءة هذه المعلومات، يمكن عرض مخطط الشبكة بيانيًا بشكل أوضح.
  • يمكن دعم الهندسة بأدوات مثل PROFINET Commander [ 4 ] أو PRONETA. [ 5 ]

الموثوقية

يُستخدم بروتوكول Profinet بشكل متزايد في التطبيقات الحساسة. ويظل هناك دائمًا خطر عدم القدرة على أداء الوظائف المطلوبة. ويمكن الحد من هذا الخطر باتخاذ تدابير محددة، كما يتضح من تحليلات الموثوقية [ 6 ] . وتتمثل الأهداف الرئيسية فيما يلي:

  1. السلامة: ضمان السلامة الوظيفية. يجب أن ينتقل النظام إلى حالة آمنة في حالة حدوث عطل .
  2. التوافر: زيادة التوافر. في حالة حدوث عطل، يجب أن يظل النظام قادراً على أداء الحد الأدنى من الوظائف المطلوبة.
  3. الأمن: يهدف أمن المعلومات إلى ضمان سلامة النظام.

قد تتعارض هذه الأهداف مع بعضها البعض أو تكمل بعضها البعض.

السلامة الوظيفية: بروفيسايف

تحدد Profisafe [ 7 ] كيفية تواصل الأجهزة المتعلقة بالسلامة ( أزرار التوقف في حالات الطوارئ ، وشبكات الإضاءة، وأجهزة منع التعبئة الزائدة، ...) مع وحدات التحكم في السلامة عبر Profinet بطريقة آمنة بحيث يمكن استخدامها في مهام الأتمتة المتعلقة بالسلامة حتى مستوى سلامة التكامل 3 (SIL) وفقًا لـ IEC 61508 ، ومستوى الأداء "e" (PL) وفقًا لـ ISO 13849 ، أو الفئة 4 وفقًا لـ EN 954-1.

تُطبّق بروتوكولات Profisafe اتصالاً آمناً عبر ملف تعريف [ 8 ] ، أي عبر تنسيق خاص لبيانات المستخدم وبروتوكول خاص. صُممت هذه البروتوكولات كطبقة منفصلة فوق طبقة تطبيق ناقل البيانات الميداني لتقليل احتمالية حدوث أخطاء في نقل البيانات. تستخدم رسائل Profisafe كابلات ورسائل ناقل البيانات الميداني القياسية. وهي لا تعتمد على آليات كشف الأخطاء في قنوات الإرسال الأساسية، وبالتالي تدعم تأمين مسارات الاتصال بالكامل، بما في ذلك اللوحات الخلفية داخل وحدات التحكم أو وحدات الإدخال/الإخراج عن بُعد [ 9 ] . يستخدم بروتوكول Profisafe آليات لكشف الأخطاء والأعطال ، مثل:

ويتم تعريفها في معيار IEC 61784 -3-3.

زيادة التوافر

يُعدّ التوافر العالي [ 10 ] أحد أهمّ متطلبات الأتمتة الصناعية، سواءً في المصانع أو العمليات. ويمكن تعزيز توافر نظام الأتمتة بإضافة أنظمة احتياطية للعناصر الحيوية. ويمكن التمييز بين الأنظمة الاحتياطية والوسائط الاحتياطية.

تكرار النظام

يمكن أيضًا تطبيق خاصية التكرار في النظام باستخدام Profinet لزيادة التوافر . في هذه الحالة، يتم تكوين وحدتي تحكم إدخال/إخراج تتحكمان في نفس جهاز الإدخال/الإخراج. تقوم وحدة التحكم النشطة بتحديد بيانات الإخراج الخاصة بها كبيانات أساسية. أما بيانات الإخراج غير المحددة، فيتجاهلها جهاز الإدخال/الإخراج في نظام الإدخال/الإخراج الاحتياطي. في حالة حدوث خطأ، تستطيع وحدة التحكم الثانية بالتالي تولي التحكم في جميع أجهزة الإدخال/الإخراج دون انقطاع عن طريق تحديد بيانات الإخراج الخاصة بها كبيانات أساسية. لم يتم تحديد كيفية مزامنة وحدتي التحكم لمهامهما في Profinet، ويتم تنفيذها بشكل مختلف من قبل الشركات المصنعة المختلفة التي تقدم أنظمة تحكم احتياطية.

تكرار الوسائط

تُقدّم بروفينت حلّين لتكرار الوسائط. يسمح بروتوكول تكرار الوسائط (MRP) بإنشاء بنية حلقية مستقلة عن البروتوكول بزمن تبديل أقل من 50 مللي ثانية. وهذا غالبًا ما يكون كافيًا للاتصال القياسي في الوقت الفعلي مع بروفينت. وللتبديل إلى التكرار في حالة حدوث خطأ دون تأخير زمني، يجب استخدام "تكرار الوسائط للتكرار المُخطط" (MRPD) كمفهوم لتكرار الوسائط بسلاسة. في MRPD، تُرسل البيانات الدورية في الوقت الفعلي في كلا الاتجاهين ضمن البنية الحلقية. ويُمكّن الطابع الزمني في حزمة البيانات المُستقبِل من إزالة النسخ المُكررة.

حماية

يفترض مفهوم أمن تكنولوجيا المعلومات [ 11 ] لشبكة بروفينت نهج الدفاع المتعدد الطبقات [ 12 ] . في هذا النهج، تتم حماية مصنع الإنتاج من الهجمات، لا سيما الخارجية منها، عبر محيط متعدد المستويات، يشمل جدران الحماية. إضافةً إلى ذلك، يمكن توفير حماية إضافية داخل المصنع بتقسيمه إلى مناطق باستخدام جدران الحماية . كما يضمن اختبار مكونات الأمان مقاومة مكونات بروفينت للحمل الزائد ضمن نطاق محدد. [ 13 ] يدعم هذا المفهوم تدابير تنظيمية في مصنع الإنتاج ضمن إطار نظام إدارة أمن وفقًا لمعيار ISO 27001 .

ملفات تعريف التطبيقات

لضمان تفاعل سلس بين الأجهزة المشاركة في حلول الأتمتة، يجب أن تتوافق وظائفها وخدماتها الأساسية. ويتحقق التوحيد القياسي من خلال "الملفات التعريفية" [ 14 ] التي تتضمن مواصفات ملزمة للوظائف والخدمات. وتُقيّد وظائف الاتصال الممكنة مع شبكة Profinet، وتُحدد مواصفات إضافية تتعلق بوظيفة الجهاز الميداني. وقد تكون هذه المواصفات خصائص مشتركة بين فئات الأجهزة، مثل سلوك ذي صلة بالسلامة (ملفات تعريف التطبيقات المشتركة)، أو خصائص خاصة بفئة الجهاز (ملفات تعريف التطبيقات الخاصة). [ 15 ] ويُفرّق بين

  • ملفات تعريف الأجهزة، على سبيل المثال، الروبوتات، والمحركات (PROFIdrive)، وأجهزة المعالجة، وأجهزة التشفير، والمضخات.
  • نبذة عن الصناعات، على سبيل المثال تكنولوجيا المختبرات أو مركبات السكك الحديدية
  • ملفات تعريف التكامل لتكامل الأنظمة الفرعية مثل أنظمة IO-Link

محركات

PROFIdrive [ 16 ] هو ملف تعريف الجهاز المعياري لأجهزة القيادة . تم تطويره بشكل مشترك من قبل المصنعين والمستخدمين في التسعينيات، ومنذ ذلك الحين، وبالاقتران مع Profibus ، ومن الإصدار 4.0، أيضًا مع Profinet، غطى النطاق الكامل من أبسط حلول القيادة إلى أكثرها تطلبًا.

طاقة

يُعدّ PROFIenergy أحد أنواع الخدمات الأخرى، ويتضمن خدمات لمراقبة استهلاك الطاقة في الوقت الفعلي. وقد طُلب هذا النوع من الخدمات عام 2009 من قِبل مجموعة AIDA، وهي مجموعة من شركات تصنيع السيارات الألمانية ( أودي ، وبي إم دبليو ، ومرسيدس-بنز ، وبورش ، وفولكس فاجن )، التي رغبت في اعتماد طريقة موحدة لإدارة استهلاك الطاقة في مصانعها. ويستهدف هذا النوع من الخدمات الأجهزة والأنظمة الفرعية عالية الاستهلاك للطاقة، مثل الروبوتات وأجهزة الليزر وحتى خطوط الطلاء، حيث يُسهم في خفض تكاليف الطاقة في المصنع من خلال تحويل الأجهزة بذكاء إلى وضع "السكون" لمراعاة فترات توقف الإنتاج، سواءً كانت متوقعة (مثل عطلات نهاية الأسبوع وإغلاق المصانع) أو غير متوقعة (مثل الأعطال).

أتمتة العمليات

تتمتع أجهزة المعالجة الحديثة بقدرات ذكية خاصة بها، ويمكنها تولي جزء من معالجة المعلومات أو الوظائف العامة في أنظمة الأتمتة. ولدمجها في نظام Profinet، [ 17 ] [ 18 ] يلزم وجود اتصال إيثرنت ثنائي الأسلاك، بالإضافة إلى زيادة مستوى التوافر.

أجهزة المعالجة

يُحدد ملف تعريف أجهزة المعالجة (PA Devices) [ 19 ] لجميع فئات أجهزة المعالجة المختلفة جميع الوظائف والمعلمات المستخدمة عادةً في أجهزة المعالجة لتدفق الإشارة من إشارة المستشعر من العملية إلى قيمة العملية المُعالجة مسبقًا، والتي تُقرأ إلى نظام التحكم مع حالة القيمة المقاسة. يحتوي ملف تعريف أجهزة المعالجة (PA Devices) على جداول بيانات الأجهزة لـ

  1. الضغط والضغط التفاضلي
  2. المستوى ودرجة الحرارة ومعدل التدفق
  3. المدخلات والمخرجات التناظرية والرقمية
  4. الصمامات والمشغلات
  5. معدات التحليل

طبقة فيزيائية متقدمة

تصف طبقة إيثرنت المادية المتقدمة (Ethernet-APL) [ 20 ] طبقة مادية لتقنية اتصالات إيثرنت، تم تطويرها خصيصًا لتلبية متطلبات الصناعات التحويلية. وقد حُدِّد تطوير Ethernet-APL بالحاجة إلى اتصالات عالية السرعة ولمسافات طويلة، وتوفير الطاقة وإشارات الاتصالات عبر كابل موحد أحادي الزوج المجدول (سلكين)، بالإضافة إلى تدابير الحماية للاستخدام الآمن في المناطق المعرضة لخطر الانفجار. تتيح طبقة إيثرنت المادية المتقدمة إمكانية دمج بروتوكول Profinet في أجهزة العمليات.

تكنولوجيا

بروتوكولات بروفينت

يستخدم بروتوكول Profinet البروتوكولات التالية في الطبقات المختلفة [ 2 ] : 15 من نموذج OSI :

طبقة OSIبروفينت
طلبخدمات وبروتوكولات طبقة تطبيقات ناقل المجال (FAL)OPC UA
مؤشر القوة النسبيةفارغفارغRPC--
6عرض تقديمي--
5حصة
4ينقلبروتوكول UDPبروتوكول التحكم بالنقل (TCP)
3شبكةالملكية الفكرية
2وصلة البياناتتي إس إنCSMA/CD
1بدنيإيثرنت

الطبقتان 1 و2: يُوصى باستخدام اتصال ثنائي الاتجاه كامل بسرعة 100  ميجابت/ثانية، إما كهربائيًا ( 100BASE-TX ) أو ضوئيًا ( 100BASE-FX ) وفقًا لمعيار IEEE 802.3 [ 21 ] لتوصيل الأجهزة. يُعدّ التوصيل التلقائي المتقاطع إلزاميًا لجميع التوصيلات لتجنب استخدام كابلات التوصيل المتقاطع . يُستخدم نظام VLAN مع وضع علامات الأولوية بدءًا من معيار IEEE 802.1Q . وبالتالي، تُمنح جميع البيانات الآنية أعلى أولوية ممكنة (6)، ويتم توجيهها عبر المحول بأقل تأخير.

يمكن تسجيل بروتوكول Profinet وعرضه باستخدام أي أداة لتحليل الإيثرنت. برنامج Wireshark قادر على فك تشفير رسائل Profinet.

تم توسيع بروتوكول اكتشاف طبقة الربط (LLDP) بمعلمات إضافية، بحيث يمكن بالإضافة إلى اكتشاف الجيران، نقل وقت انتشار الإشارات على خطوط الاتصال.

الطبقات من 3 إلى 6: يُستخدم إما بروتوكول واجهة الخدمة عن بُعد (RSI) أو بروتوكول استدعاء الإجراء عن بُعد (RPC) لإعداد الاتصال والخدمات غير الدورية. يُستخدم بروتوكول RPC عبر بروتوكول بيانات المستخدم (UDP) وبروتوكول الإنترنت (IP) باستخدام عناوين IP . تم توسيع بروتوكول تحليل العناوين (ARP) لهذا الغرض مع خاصية الكشف عن عناوين IP المكررة. يُعد بروتوكول الاكتشاف والتكوين الأساسي (DCP) إلزاميًا لتخصيص عناوين IP. يمكن أيضًا استخدام بروتوكول تكوين المضيف الديناميكي (DHCP) لهذا الغرض. لا تُستخدم عناوين IP مع بروتوكول RSI. وبالتالي، يمكن استخدام IP في نظام تشغيل الجهاز الميداني لبروتوكولات أخرى مثل بنية OPC الموحدة (OPC UA).

الطبقة 7: تُعرَّف بروتوكولات متنوعة [ 1 ] للوصول إلى خدمات طبقة تطبيقات ناقل المجال (FAL). يُستخدم بروتوكول RT (الوقت الحقيقي) لتطبيقات الفئتين A وB، حيث تتراوح أوقات الدورة بين 1 و10 مللي ثانية. أما بروتوكول IRT (الوقت الحقيقي المتزامن) لتطبيقات الفئة C، فيتيح أوقات دورة أقل من 1 مللي ثانية لتطبيقات تقنية القيادة. ويمكن تحقيق ذلك أيضًا باستخدام الخدمات نفسها عبر الشبكات الحساسة للوقت (TSN).

تكنولوجيا فئات المطابقة

يتم تحقيق وظائف Profinet IO باستخدام تقنيات وبروتوكولات مختلفة:

تكنولوجيا الفئة أ (CC-A)

تتمثل الوظيفة الأساسية لشبكة Profinet في تبادل البيانات الدوري بين وحدة التحكم بالإدخال/الإخراج (IO-Controller) بصفتها منتجة، والعديد من أجهزة الإدخال/الإخراج (IO-Devices) بصفتها مستهلكة لبيانات الإخراج، وبين أجهزة الإدخال/الإخراج بصفتها منتجة ووحدة التحكم بالإدخال/الإخراج بصفتها مستهلكة لبيانات الإدخال. [ 1 ] تحدد كل علاقة اتصال (IO-Data CR) بين وحدة التحكم بالإدخال/الإخراج وجهاز إدخال/إخراج عدد البيانات وأوقات الدورة.

يجب أن تدعم جميع أجهزة الإدخال والإخراج الخاصة بـ Profinet تشخيص الجهاز والنقل الآمن للإنذارات عبر علاقة الاتصال الخاصة بالإنذارات Alarm CR .

بالإضافة إلى ذلك، يمكن قراءة معلمات الجهاز وكتابتها مع كل جهاز من أجهزة Profinet عبر علاقة الاتصال غير الدورية Record Data CR . يجب تثبيت مجموعة البيانات الخاصة بالتعريف الفريد لجهاز الإدخال/الإخراج، وهي مجموعة بيانات التعريف والصيانة 0 (I&M 0)، على جميع أجهزة الإدخال/الإخراج في Profinet. ويمكن، اختيارياً، تخزين معلومات إضافية بتنسيق موحد مثل I&M 1-4.

بالنسبة للبيانات الآنية (البيانات الدورية والإنذارات)، تُرسل رسائل Profinet الآنية (RT) مباشرةً عبر الإيثرنت. أما البيانات غير الدورية فتُستخدم بروتوكول UDP/IP.

إدارة علاقات التطبيقات (AR)

تُنشأ علاقة التطبيق (AR) بين وحدة تحكم الإدخال/الإخراج وكل جهاز إدخال/إخراج يُراد التحكم به. وتُحدد داخل علاقات التطبيق متطلبات التحكم (CRs). تتكون دورة حياة علاقة التطبيق في Profinet من تحديد العنوان، وإنشاء الاتصال، وتحديد المعلمات، ومعالجة تبادل بيانات الإدخال/الإخراج/معالجة الإنذارات، والإنهاء.

  1. تحديد العنوان: يتم تعريف جهاز الإدخال/الإخراج في شبكة Profinet من خلال اسم المحطة. [ ملاحظة 1 ] يتم تنفيذ إنشاء الاتصال، وتحديد المعلمات، ومعالجة الإنذارات باستخدام بروتوكول بيانات المستخدم (UDP)، مما يتطلب تخصيص عنوان IP للجهاز . بعد تحديد الجهاز من خلال اسم المحطة، يقوم متحكم الإدخال/الإخراج بتخصيص عنوان IP المُعد مسبقًا للجهاز.
  2. إنشاء الاتصال: يبدأ إنشاء الاتصال بإرسال وحدة التحكم في الإدخال/الإخراج طلب اتصال إلى جهاز الإدخال/الإخراج. يُنشئ طلب الاتصال علاقة تطبيق (AR) تتضمن عددًا من علاقات الاتصال (CRs) بين وحدة التحكم وجهاز الإدخال/الإخراج. [ 2 ] بالإضافة إلى علاقات التطبيق وعلاقات الاتصال، يُحدد طلب الاتصال التكوين المعياري لجهاز الإدخال/الإخراج، وتخطيط إطارات بيانات الإدخال/الإخراج للعملية، ومعدل تبادل بيانات الإدخال/الإخراج الدوري، ووظيفة مراقبة النظام . يُتيح تأكيد استلام طلب الاتصال من قِبل جهاز الإدخال/الإخراج إمكانية ضبط المعلمات. من هذه النقطة فصاعدًا، يبدأ كل من جهاز الإدخال/الإخراج ووحدة التحكم في الإدخال/الإخراج بتبادل إطارات بيانات الإدخال/الإخراج الدورية للعملية. لا تحتوي إطارات بيانات الإدخال/الإخراج للعملية على بيانات صالحة في هذه المرحلة، ولكنها تبدأ بالعمل كآلية للحفاظ على استمرارية عمل وظيفة مراقبة النظام.
  3. المعايرة: يقوم متحكم الإدخال/الإخراج بكتابة بيانات المعايرة إلى كل وحدة فرعية من وحدات جهاز الإدخال/الإخراج وفقًا لملف لغة ترميز وصف المحطة العامة (GSDML). بمجرد تهيئة جميع الوحدات الفرعية، يُشير متحكم الإدخال/الإخراج إلى انتهاء عملية المعايرة. يستجيب جهاز الإدخال/الإخراج بالإشارة إلى جاهزية التطبيق، مما يسمح بتبادل بيانات الإدخال/الإخراج ومعالجة الإنذارات. [ 2 ]
  4. تبادل بيانات الإدخال/الإخراج ومعالجة الإنذارات: يبدأ جهاز الإدخال/الإخراج، متبوعًا بوحدة التحكم في الإدخال/الإخراج، بتحديث بيانات الإدخال/الإخراج الصالحة للعملية بشكل دوري . تعالج وحدة التحكم في الإدخال/الإخراج مدخلات جهاز الإدخال/الإخراج وتتحكم في مخرجاته. [ 2 ] يتم تبادل إشعارات الإنذارات بشكل غير دوري بين وحدة التحكم في الإدخال/الإخراج وجهاز الإدخال/الإخراج عند حدوث الأحداث والأعطال. [ 1 ]
  5. الإنهاء: ينقطع الاتصال بين جهاز الإدخال/الإخراج ووحدة التحكم بالإدخال/الإخراج عند انتهاء صلاحية مؤقت المراقبة. [ 2 ] ينتج انتهاء صلاحية مؤقت المراقبة عن فشل وحدة التحكم بالإدخال/الإخراج أو جهاز الإدخال/الإخراج في تحديث بيانات الإدخال/الإخراج للعمليات الدورية. [ 1 ] ما لم يتم إنهاء الاتصال عمدًا عند وحدة التحكم بالإدخال/الإخراج، ستحاول وحدة التحكم إعادة تشغيل علاقة تطبيق Profinet.

تكنولوجيا الفئة ب (CC-B)

بالإضافة إلى وظائف الفئة أ الأساسية، يجب أن تدعم أجهزة الفئة ب وظائف إضافية. [ 1 ] تدعم هذه الوظائف بشكل أساسي تشغيل وصيانة نظام Profinet IO، وتهدف إلى زيادة توافر هذا النظام.

يُعدّ دعم تشخيص الشبكة باستخدام بروتوكول إدارة الشبكة البسيط (SNMP) إلزاميًا. وبالمثل، يجب أن تدعم جميع أجهزة الفئة B بروتوكول اكتشاف طبقة الربط (LLDP) لاكتشاف الجوار، بما في ذلك امتدادات Profinet. ويشمل ذلك أيضًا جمع وتوفير إحصائيات متعلقة بمنافذ الإيثرنت لأغراض صيانة الشبكة. وبفضل هذه الآليات، يُمكن قراءة بنية شبكة Profinet IO في أي وقت، ومراقبة حالة الاتصالات الفردية. وفي حال معرفة بنية الشبكة، يُمكن تفعيل العنونة التلقائية للعُقد بناءً على موقعها في البنية. وهذا يُسهّل بشكل كبير استبدال الأجهزة أثناء الصيانة، إذ لا حاجة لإجراء أي إعدادات إضافية.

يُعدّ التوافر العالي لنظام الإدخال/الإخراج بالغ الأهمية لتطبيقات أتمتة العمليات وهندسة العمليات. ولذلك، وُضعت إجراءات خاصة لأجهزة الفئة B مع العلاقات والبروتوكولات القائمة. يتيح ذلك وجود نظام احتياطي، حيث يمكن لوحدتي تحكم في الإدخال/الإخراج الوصول إلى نفس أجهزة الإدخال/الإخراج في آنٍ واحد. إضافةً إلى ذلك، يوجد إجراء مُحدد لإعادة التكوين الديناميكي (DR)، والذي يُبيّن كيفية تغيير تكوين جهاز الإدخال/الإخراج باستخدام هذه العلاقات الاحتياطية دون فقدان السيطرة عليه.

تكنولوجيا الفئة ج (CC-C)

بالنسبة لوظائف فئة المطابقة C (CC-C) يتم استخدام بروتوكول الوقت الحقيقي المتزامن [ 1 ] (IRT) بشكل أساسي.

مع حجز النطاق الترددي ، يُخصص جزء من نطاق الإرسال المتاح البالغ 100  ميجابت/ثانية حصريًا للمهام الآنية. ويُستخدم إجراء مشابه لتقنية تعدد الإرسال الزمني . يُقسم النطاق الترددي إلى دورات زمنية ثابتة، تُقسم بدورها إلى مراحل. المرحلة الحمراء مخصصة حصريًا لبيانات الفئة C الآنية ، بينما تُرسل الرسائل الحساسة للوقت في المرحلة البرتقالية ، وتُمرر رسائل الإيثرنت الأخرى بشفافية في المرحلة الخضراء. ولضمان تمرير أكبر عدد ممكن من رسائل الإيثرنت بشفافية، يجب ألا يقل طول المرحلة الخضراء عن 125 ميكروثانية. وبالتالي، لا يمكن استخدام دورات زمنية أقل من 250 ميكروثانية مع الإيثرنت دون تغيير.

لتحقيق أوقات دورة أقصر تصل إلى 31.25 ميكروثانية، تُقسّم رسائل الإيثرنت الخاصة بالمرحلة الخضراء إلى أجزاء صغيرة. تُرسل هذه الأجزاء الصغيرة عبر المرحلة الخضراء. آلية التجزئة هذه غير مرئية للمشاركين الآخرين على شبكة الإيثرنت، وبالتالي لا يمكن ملاحظتها.

لتنفيذ دورات ناقل البيانات هذه لحجز النطاق الترددي، يلزم تزامن دقيق للساعة لجميع الأجهزة المشاركة، بما في ذلك المحولات، بانحراف أقصى قدره 1 ميكروثانية. ويتم تنفيذ هذا التزامن باستخدام بروتوكول التوقيت الدقيق (PTP) وفقًا لمعيار IEEE 1588-2008 (1588 V2) . لذا، يجب أن تكون جميع الأجهزة المشاركة في حجز النطاق الترددي في نفس النطاق الزمني.

بالنسبة لتطبيقات التحكم في الموضع لعدة محاور أو لعمليات تحديد الموضع وفقًا لملف تعريف محرك PROFIdrive [ 16 ] لفئات التطبيقات من 4 إلى 6، لا يكفي أن يكون الاتصال سريعًا فحسب، بل يجب أيضًا تنسيق ومزامنة إجراءات المحركات المختلفة على شبكة Profinet . تتيح مزامنة ساعة برنامج التطبيق مع دورة ناقل البيانات تنفيذ وظائف التحكم بشكل متزامن على الأجهزة الموزعة.

في حال توصيل عدة أجهزة Profinet على خط واحد ( توصيل متسلسل )، يُمكن تحسين تبادل البيانات الدوري باستخدام تقنية تعبئة الإطارات الديناميكية (DFP). ولتحقيق ذلك، يضع المتحكم جميع بيانات الإخراج لجميع الأجهزة في إطار IRT واحد. عند مرور إطار IRT، يستخرج كل جهاز البيانات المخصصة له، مما يؤدي إلى تقصير إطار IRT تدريجيًا. ويتم تجميع إطار IRT ديناميكيًا لنقل البيانات من الأجهزة المختلفة إلى المتحكم. تكمن كفاءة تقنية DFP العالية في أن إطار IRT يكون دائمًا بحجم مناسب فقط، وأن البيانات من المتحكم إلى الأجهزة تُنقل في وضع الإرسال والاستقبال المتزامن مع البيانات من الأجهزة إلى المتحكم.

تكنولوجيا الفئة د (CC-D)

تقدم الفئة D نفس الخدمات للمستخدم مثل الفئة C، مع اختلاف أن هذه الخدمات يتم توفيرها باستخدام آليات الشبكات الحساسة للوقت (TSN) التي حددتها IEEE.

تُستخدم واجهة الخدمة عن بُعد (RSI) كبديل لمجموعة بروتوكولات الإنترنت . وبالتالي، يتم تنفيذ فئة التطبيق D هذه بشكل مستقل عن عناوين IP . وستكون حزمة البروتوكولات أصغر حجمًا ومستقلة عن إصدارات الإنترنت المستقبلية ( IPv6 ).

لا يُعدّ TSN تعريفًا موحدًا ومتكاملًا للبروتوكول، بل هو مجموعة من البروتوكولات المختلفة ذات الخصائص المتباينة، والتي يمكن دمجها بشكل شبه تعسفي لكل تطبيق. وللاستخدام في الأتمتة الصناعية ، تم تجميع مجموعة فرعية منه في معيار IEC/IEEE 60802 "ملف تعريف TSN المشترك للأتمتة الصناعية". كما تُستخدم مجموعة فرعية أخرى في مواصفات Profinet الإصدار 2.4 لتنفيذ الفئة D. [ 22 ]

In this specification, a distinction is made between two applications:

  • isochronous, cyclic data exchange with short, limited latency time (Isochronous Cyclic Real Time) for applications in Motion Control and distributed control technology
  • Cyclic data exchange with limited latency time (Cyclic Real Time) for general automation tasks

For the isochronous data exchange the clocks of the participants must be synchronized. For this purpose, the specifications of the Precision Time Protocol according to IEC 61588 for time synchronization with TSN[23] are adapted accordingly.

The telegrams are arranged in queues according to the priorities provided in the VLAN tag. The Time-Aware Shaper (TAS)[24] now specifies a clock pulse with which the individual queues are processed in a switch. This leads to a time-slot procedure where the isochronous, cyclical data is transmitted with the highest priority, the cyclical data with the second priority before all acyclic data. This reduces the latency time and also the jitter for the cyclic data. If a data telegram with low priority lasts too long, it can be interrupted by a cyclic data telegram with high priority and transmitted further afterwards. This procedure is called Frame Preemption[25] and is mandatory for CC-D.

Implementation of Profinet interface

For the realization[26] of a Profinet interface as controller or device, no additional hardware requirements are required for Profinet (CC-A and CC-B) that cannot be met by a common Ethernet interface (100BASE-TX or 100BASE-FX). To enable a simpler line topology, the installation of a switch with 2 ports in a device is recommended.

For the realization of class C (CC-C) devices, an extension of the hardware with time synchronization with the Precision Time Protocol (PTP) and the functionalities of bandwidth reservation is required. For class D (CC-D) devices, the hardware must support the required functionalities of Time-Sensitive Networking (TSN) according to IEEE standards.

The method of implementation[27] depends on the design and performance of the device and the expected quantities. The alternatives are

  • Development in-house[28] or with a service provider
  • Use of ready-made building blocks or individual design
  • التنفيذ في تصميم ASIC ثابت ، قابل لإعادة التكوين في تقنية FPGA ، كوحدة إضافية أو كمكون برمجي.

تاريخ

في الاجتماع العام لمنظمة مستخدمي بروتوكول بروفيبوس عام 2000، جرت أولى المناقشات الجادة حول بديل لبروتوكول بروفيبوس قائم على الإيثرنت . وبعد عام واحد فقط، نُشرت أول مواصفات لأتمتة المكونات (CBA) وعُرضت في معرض هانوفر. وفي عام 2002، أصبح بروتوكول بروفينت CBA جزءًا من المعيار الدولي IEC 61158 / IEC 61784-1 .

يتكون نظام Profinet CBA [ 29 ] من مكونات أتمتة مختلفة. يشمل كل مكون جميع المتغيرات الميكانيكية والكهربائية وتقنية المعلومات. وقد تم إنشاء هذا المكون باستخدام أدوات البرمجة المعتادة. لوصف أي مكون، يتم إنشاء ملف وصف مكون Profinet (PCD) بصيغة XML . تقوم أداة التخطيط بتحميل هذه الأوصاف، مما يسمح بإنشاء الروابط المنطقية بين المكونات الفردية لتنفيذ نظام التشغيل.

تقوم الفكرة الأساسية وراء بروتوكول Profinet CBA على إمكانية تقسيم نظام الأتمتة بالكامل، في كثير من الحالات، إلى أنظمة فرعية تعمل بشكل مستقل، وبالتالي يسهل إدارتها. ويمكن إيجاد بنية ووظائف هذه الأنظمة في عدة مصانع، إما بشكل متطابق أو بتعديلات طفيفة. وتُتحكم مكونات Profinet هذه عادةً بعدد محدود من إشارات الإدخال. داخل كل مكون، يقوم برنامج تحكم يكتبه المستخدم بتنفيذ الوظائف المطلوبة، ثم يرسل إشارات الإخراج المناسبة إلى وحدة تحكم أخرى. يتم تخطيط عملية الاتصال في النظام القائم على المكونات بدلاً من برمجتها. وكان الاتصال باستخدام Profinet CBA مناسبًا لأوقات دورة ناقل البيانات التي تتراوح بين 50 و100 مللي ثانية تقريبًا.

تُظهر الأنظمة الفردية كيفية تطبيق هذه المفاهيم بنجاح في التطبيق. مع ذلك، لم يحظَ نظام Profinet CBA بالقبول المتوقع في السوق، ولن يُدرج بعد الآن في معيار IEC 61784-1 بدءًا من الإصدار الرابع لعام 2014.

في عام 2003، نُشرت أول مواصفات لبروتوكول Profinet IO (حيث IO تعني الإدخال والإخراج). وتم اعتماد واجهة تطبيق Profibus DP (حيث DP تعني الطرفية اللامركزية)، التي لاقت رواجًا في السوق، مع إضافة بروتوكولات حديثة من الإنترنت. وفي العام التالي، أُضيفت ميزة الإرسال المتزامن، مما جعل Profinet IO مناسبًا لتطبيقات التحكم في الحركة. وتم تعديل بروتوكول Profisafe ليتوافق مع Profinet. ومع التزام AIDA [ 30 ] الواضح ببروتوكول Profinet في عام 2004، حظي البروتوكول بقبول واسع في السوق. وفي عام 2006، أصبح Profinet IO جزءًا من المعيار الدولي IEC 61158 / IEC 61784-2 .

في عام 2007، ووفقًا لإحصاءات محايدة، تم تركيب مليون جهاز من أجهزة بروفينت، وفي العام التالي تضاعف هذا العدد إلى مليوني جهاز. وبحلول عام 2019، تم الإبلاغ عن بيع ما مجموعه 26 مليون جهاز من قبل مختلف الشركات المصنعة.

في عام 2019، تم الانتهاء من مواصفات Profinet باستخدام الشبكات الحساسة للوقت (TSN)، [ 32 ] وبالتالي تم تقديم فئة التوافق CC-D.

للمزيد من القراءة

  • شيو، جي (12 يوليو 2019). بروفينت عمليًا: التركيب والصيانة والتصميم وهندسة النظام . منشور ذاتيًا. رقم ISBN 978-1-07707-721-8.
  • بيغان، رايموند؛ ميتر، مارك (2008-12-03). الأتمتة باستخدام بروفينت: الاتصالات الصناعية القائمة على إيثرنت الصناعي . بابليسيس. ISBN 978-3-89578-294-7.

ملحوظات

  1. اسم المحطة هو وصف أبجدي رقمي قابل للتكوين من قبل المستخدم، ويصل طوله إلى 240 حرفًا

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 "وصف نظام PROFINET" . PROFIBUS Nutzerorganisation eV أكتوبر 2014. رقم الطلب 4.132.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 مانفريد بوب. الاتصالات الصناعية مع PROFINET . PROFIBUS Nutzerorganisation eV (PNO). رقم الأمر: 4.182.
  3. "بروفينت" . شبكات الأتمتة . 2023-11-01 . تم الاسترجاع في 2023-12-30 .
  4. "PROFINET Commander – تحكّم بشبكة PROFINET الخاصة بك" . profinetcommander.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أبريل 2020 .
  5. "PRONETA - PROFINET Portfolio - Siemens Global Website" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أبريل 2020 .
  6. كيرمان، هـ. (2005). الحوسبة المتسامحة مع الأعطال في الأتمتة الصناعية (ملف PDF)
  7. "وصف نظام PROFIsafe" . وثائق . بروفينت إنترناشونال. 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أبريل 2020 .
  8. "السلامة الوظيفية" . وحدات تعليمية . جامعة بروفينت . تم الاطلاع بتاريخ 2020-04-02 .
  9. "Reliance Electric Automax PLC 57C554 | Automation Industrial" . 57c554.com . تاريخ الاسترجاع: 30 ديسمبر 2023 .
  10. "تكرار النظام" . وحدات تعليمية . جامعة بروفينت . تم الاسترجاع في 2020-04-02 .
  11. "امتدادات الأمان لشبكة بروفينت" . ورقة بيضاء من بروفينت إنترناشونال. 2019. تم الاطلاع عليها بتاريخ 1 أبريل 2020 .
  12. "تحسين الأمن السيبراني لأنظمة التحكم الصناعية باستخدام استراتيجيات الدفاع المتعمق" (ملف PDF) . الممارسات الموصى بها . وزارة الأمن الداخلي. 2016. تاريخ الاسترجاع: 1 أبريل 2020 .
  13. "كيفية الحصول على شهادة لجهاز بروفينت" . الاختبار والشهادة . بروفينت الدولية. 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أبريل 2020 .
  14. "ملفات تعريف التطبيقات" . وحدات التعلم . جامعة بروفينت . تم الاسترجاع في 2020-04-02 .
  15. "قائمة الملفات الشخصية" . ملف تعريف الباحث الرئيسي . بروفينت الدولية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أبريل 2020 .
  16. 1 2 "أنظمة القيادة والحركة مع بروفينت" . ورقة بيضاء من بروفينت الدولية. 21 نوفمبر 2012. تاريخ الاسترجاع: 3 أبريل 2020 .
  17. "بروفينت - منصة الحلول لأتمتة العمليات" . ورقة بيضاء من PI . بروفينت الدولية. 2018. تم الاطلاع بتاريخ 3 أبريل 2020 .
  18. "أتمتة العمليات" . وحدات تعليمية . جامعة بروفينت . تم الاطلاع بتاريخ 2020-04-03 .
  19. "أجهزة التحكم في العمليات" . مواصفات PI . بروفينت الدولية. 2018-05-09.
  20. "مجموعة FieldComm، وODVA، وPI تُقدّم تحديثًا مشتركًا حول طبقة مادية متقدمة لشبكة إيثرنت الصناعية" . بيان صحفي . Profinet International. 25 نوفمبر 2019. تاريخ الاطلاع: 3 أبريل 2020 .
  21. تركيب وتوصيل كابلات PROFINET . منظمة مستخدمي PROFIBUS الإلكترونية (PNO). 21 نوفمبر 2019. رقم الطلب: 8.072، تحميل مجاني.
  22. "إرشادات بروفينت عبر شبكة TSN" . مواصفات PI . بروفينت الدولية. 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30-10-2019 .
  23. "التوقيت والمزامنة في معيار IEEE 802.1ASrev" . معيار 802. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. 2019. مؤرشف من الأصل في 17 مايو 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2019 .
  24. "تحسينات معيار IEEE 802.1Qbv لحركة البيانات المجدولة" . معيار 802. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . تاريخ الاسترجاع: 30 أكتوبر 2019 .
  25. "استباق الإطارات في معيار IEEE 802.1Qbu" . معيار 802. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE). مؤرشف من الأصل في 31 يناير 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 أكتوبر 2019 .
  26. "الطريقة السهلة لتقنية PROFINET" . بي آي أمريكا الشمالية. 2019-08-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2020-04-14 .
  27. "تطوير بروفينت" . جامعة بروفينت. 2019-08-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2020-04-14 .
  28. "أجهزة PROFINET الميدانية: توصيات للتصميم والتنفيذ" . PI International. 2018. رقم الطلب: 8.202، تحميل مجاني . تاريخ الاسترجاع : 14 أبريل 2020 .
  29. بروفينت، التكنولوجيا والتطبيق (ملف PDF) أول نسخة تاريخية من وصف نظام بروفينت CBA
  30. "أيدا تنضم إلى بروفينت" . بيان صحفي . بروفينت الدولية. 24 نوفمبر 2004. تاريخ الاطلاع: 2 أبريل 2020 .
  31. "تجاوزت PROFIsafe وIO-Link حاجز العشرة ملايين" . بيان صحفي . بروفينت إنترناشونال. 1 أبريل 2019. تاريخ الاطلاع: 2 أبريل 2020 .
  32. "الخطوات التالية على خارطة طريق "PROFINET عبر TSN"" . بيان صحفي . بروفينت الدولية. 27 نوفمبر 2019. تاريخ الاطلاع: 2 أبريل 2020 .