الشبكات الصناعية

مقدمة :

سيطرت زيادة هامّة في استعمالِ الشبكات الحاسوبِية علىالأنظمة الصناعيةِ خلال السَنَوات العشْر الماضية. ورَبطتْ بين تقنيات الإنترنتِومعلوماتِ النقلِ والتحكم بين المصانع والإدارة باستخدام أنظمةٍ حاسوبية، بغية الأتمتةالصناعيةِ industrial automation لجَعْل المُنتَجاتِتحت سيطرةِ الحواسيب وأجهزةِ التحكم، والقيادة القابلة للبرمجةِ وخطوط التجميعالآلي وكذلك آلات وأدوات الإنتاج CNC machines و الـ Roboticdevices.

على سبيل المثال، تم ربط غالبية المنشآتالصناعيةِ الآن بمخدمات حاسوبية، للسَماح لمستخدمي الشبكة بالدُخُول الفوري إلىالشبكة، وتوظيف بياناتِ فوريةِ مِنْ أنظمةِ المراقبة والتحكم المُوَزَّعة (Distributed Control Systems (DCS لقيادة أجهزة وحدات قابلة للبرمجةِ (ProgrammableLogic Controllers ( PLC .

من الملاحظ خلال السَنَوات العشْر الماضية وخلال انتشار أنظمةالقيادةِ والتحكم الصناعيةِ،أنه كَانَ هناك تحول ملحوظ فياستعمالِ نظام الربط العالمي Ethernet وأنظمة السيطرة والتحكم بالإرسالِTCP/IP في الصناعةِ لشبكات التحكم والقيادةِ البعيدة. أما اليوم فإن العديد من أنظمة الـ DCS وأنظمة الـ PLC تستخدم بالدرجة الأولى أنظمةالربط العالمي Ethernet والـ TCP/IP والـ HTTPبوصفها مكونات أساسية في هيكل الشبكات عامة، بقَصْد سهولة الربط والتوصيل و إنقاصالتكلفة.

ترى الكثير من الشركات اليوم فائدة ربط الشبكات الصناعيةاللاسلكية بديلاً مباشراً للشبكات السلكية، لما لها من ميزات عديدة: من إعطاء حريةحركة لمستخدمي الشبكة، وانخفاض تكلفة تركيبها، مع سهولة تطويرها وتحديثها باستمرار،إذ تستطيع الشبكات اللاسلكية ربط العديد من المناطق البعيدة، كالمصانع أوالمستودعات النائية أو المحصورة ضمن مجمعات سكنية لا يتوفر فيها إمكان توصيل خطوطشبكة سلكية إليها أو مرتفعة تكلفة التوصيل.



تفرض الشبكات السلكية واللاسلكية، وخاصة الصناعية منهاضرورة معرفة الأخطار الأمنية بالرغم من المزايا الجيدة التي تقدمها. لذلك ولتحصيلالمزايا الكاملة المرجوة من الشبكة تحصيلاً أميناً، من المهم جداً أن يأخذ مدير المعلوماتيةللشبكة - خلال التخطيط لها وتنفيذها - بعين الاعتبار العناصر الأساسية الضابطة لها،مثل مستويات الصلاحية للمستخدمين، وحماية سرية ملفاتهم ومعلوماتهم من المتغلغلينغير المصرح لهم بمعرفة المعلومات المتناقلة عبرها.

أهمالشبكات الصناعية الأساسية:

* شبكة السيطرةِالصناعيةِ ( Industrial Control Network) :





هي شبكة تُستَخدم لربط الأدواتِ المؤتمتةِ في المنشأةالصناعية للمُعالجة وتطبيقات القيادة والتحكم، وتدعى هذه الشبكة بشبكة نقلالمعطيات مثل شبكة ( Fieldbus، Modbus، Profibus،....الخ.) وتتكون في المقام الأول من حساسات ومشغلات وأجهزة تحكم.



* شبكة دائرةالتيار المغلق ( Current Loop Signal 4-20 mA) :

تتألف أساساً من شبكة كهربائية نقطة لنقطة أَو متعددة النقاط،تستعمل على نطاق واسع في حقلِ أتمتةِ العمليات لإرْسال إشاراتِ التيار مِنْالآلاتِ والحساسات في الحقلِ إلى جهاز القيادة والتحكم. فَيَجْري إرسالُ إشارةتمثيلية Analog Signal كدارة تيار مغلق مِنْ 4mA إلى 20mA تُمثّل من 0% إلى 100% من متغيّرِات العمليةِ الصناعية للحساسات والآلات المتحكمبها أيضاً على نفس زوج السلكِ لتبادل المعطيات.





تتمتع دائرة التيار المغلق ( 4-20 mA ) بمقاومة ومناعة أكثرَ للضجيج والتداخل من الداراتالتي تعتمد على تغيرات الجهد في تناقل المعطيات.



* شبكة التحكم CAN bus( ControllerArea Network bus ) :





هي شبكةِ تسلسلية تفاضلية ثنائية الأسلاك للقيادة والتحكم ضمن حَيِّز صناعي محصورمثل شبكاتِ الشاحنات والحافلات والسيارات، كما في التطبيقاتِ الصناعية أيضاً.وتستخدم على نطاق واسع في أتمتةِ المصانع والمنشآت والطائرات وسفن الفضاءِ، حيثتستطيع شبكة التحكم
الـ CAN bus إرسال مِن 125Kb/s لمسافة 40m إلى 50Kb/s لمسافة 1000m.



* شبكة العناصر ( DeviceNet) :





تعتمد شبكة العناصرللتحكم الصناعي على النظام العالمي CIP (Common Industrial Protocol ) والـ CAN bus التياستُخدمت استخداماً مبدئياً في أتمتةِ المصانعِ التي تَدْعم بحدود 64 عقدةِ بسرعة إرسالمِن 125Kb/s إلى 500Kb/s وهذا يتناسب مع ربط المعطيات لمفاتيح التحديد Limit Switches والحساسات الكهرضوئيةPhotoelectric Sensors ومقلعات المحركات الكهربائية Motor Starters وقارئات الرَّماز القضباني Bar Code Readers ولوحات التشغيل OperatorConsoles.



* الشبكة الحقلية Fieldbus:

تتصف بأنها شبكة تحكم وقيادة تُستخدم في الأتمتةالصناعية بالزمن الحقيقي، وتمتاز بأنها شبكات تسلسلية رقمية ثنائية الاتجاه مننقطة إلى أخرى، أو متعددة النقاط ( حتى 100 نقطة ) نجمية أو حلقية. وكمثال عليها FOUNDATION fieldbus وDeviceNet وControlNetوModbus وPROFIBUS . وقد بُدئ في الثمانينيّات باسْتِبْدال شبكات توزيعالأسلاك المتوازي التي تستعمل دائرة التيار المغلق 4-20 mA و+10V بشبكات متناظرةِ Fieldbus.



* شبكة إيثرنت ذاتالسرعةِ العاليةِ HSE ( High Speed Ethernet ) :

تستطيع هذه الشبكة تزويد 100Mb/s بين وحدات التحكم والقيادة المبرمجة PLC والمخدمات ومحطات العمل الفرعيةِ،مما يجعلها متميزة في المنشآت الصناعية باستخدام النظم العالمية للاتصال Ethernet و TCP/IP.



* الشبكةالنوعية Modbus:

هي نظام شبكي عالي المستوى طوّره Modiconعام1979 ويعتمد على طلب رسالة رَدِّ Request ToSend من الطرف الآخرنتيجة لطلب اتصال من المخدم، إذ يمكن أن يعمل على العديد من شبكات الاتصالالتسلسلية الخاصة مثل RS-232 وRS-485. وهو كثير الاستعمال بأنظمة القيادةوالتحكم TCP/IP over Ethernet.

* شبكة الـ Profibus( PROcessFIeldBUS ) :





هي شبكة أتمتة وتحكم صناعي تستعمل لأتمتة المصانع والتحكمبعمليات الإنتاج والحركة وشبكات الأمان. تقوم أساساً على النظام الهيكلي Master/Slave architecture وتعمل على العديد من شبكات الاتصال التسلسلية الخاصةمثل RS-232 وRS-485وشبكات الألياف الضوئية. كما يعمل النظام الجديد لهذا النوع المعروف باسم PROFInet على Ethernet-based .

الأنواعالرئيسية لأنظمة شبكات التحكم الصناعي:

من أشهر أنظمة الشبكات الصناعية الدولية نظام Ethernet TCP/IP و نظام التيار 4-20mA ونظام الاتصال RS-232و RS-485 وهي تُعَدُّ أوسع الأنظمة شعبيةً لربطِ الشبكات الصناعية الآن وفيالمستقبل. وتتنوع في المقام الأول كما في الشكل حسب نسب انتشارها:









العناصرالأساسية لشبكات التحكم الصناعي:

إنّ عناصر وأجهزة الشبكاتالصناعية من برامج وأجهزة قيادة وتحكم مبرمج وعناصر إدخال وإخراج عامة، هي العناصرالرئيسية لنظام الاتصال والمراقبة والتحكم الصناعي، وهي أوسع شعبيةً لربطِ الشبكاتالصناعية حالياً وفي المستقبلِ. وتتضمن في المقام الأول:

عناصر وأجهزةِ الشبكات الصناعية

أدوات أجهزةِ شبكةِ


Network hardware devices



أدوات برامجِ شبكةِ


Network software tools



أجهزة القيادة والتحكم المبرمج


PLC Hardware



عناصر إدخال وإخراج عامة للأنظمة


I/O products & systems



موزّعَات تحكم و/ أَو متحكمات هجينة


Distributed and/or hybrid controls



أنظمة تحليل العمليات


Process analyzers



حساسات درجةِ حرارة و/ أَو مرسلاتها


Temperature sensors and/or transmitters



حساسات مستوى و/ أَو مرسلاتها


Level sensors and/or transmitters



حساسات تدفقِ و/ أَو مرسلاتها


Flow sensors and/or transmitters



حساسات ضغطِ و/ أَو مرسلاتها


Pressure sensors and/or transmitters



حساسات كهروضوئية


Photoelectric sensors



حساسات تقاربِية




Proximity sensors



صِِمَامَات تحكم


Control valves



صمامات كتلية


Block valves



مفاتيح تحديد مستوى


Level switches



مفاتيح ضغطِ


Pressure switches

مفاتيح تدفقِ


Flow switches



أدوات دلالات الحركةِ


Motion feedback devices



مفاتيح وقواطع حرارية




Temperature switches



مكوّنات أجهزةِ نظامِ الرؤيةِ


Vision system hardware components



يجري التركيز حالياًعلى أجهزة التحكم المبرمجة PLC والحواسيب الشخصية مقارنة بالحساسات وعناصر تحصيل المعطيات ( المرسلات ) وعناصر التحكم النهائية.

اختيارالشبكة الصناعية المناسبة



يعتبر قرار تركيب شبكة تحكم وقيادة صناعية سلكية أولاسلكية من القرارات الاستراتيجية للمنشآت الصناعية. ويكون القرار الصحيح في انتقاء نوع جودة الشبكة وتحديد المكونات الماديةلها عاملاً مساعداً مهماً على تحسين وتطوير المنشأة وضمان سلامة أدائها بشكل فعّالومنافس.

تقسم الشبكات الصناعية بشكل عام إلى:

Ø شبكات نجميةStar Network

Ø شبكات حلقية Ring Network

Ø شبكات خيطية Mesh Network

Ø شبكات هجينة Hybrid Network

Ø شبكات خطية Bus Network

تتطلب الشبكة الصناعية تقانات معقدة تحتاج إلى اعتباراتمدروسة جيداً قبل البدء بتركيبها لأي منشأة صناعية، فالقرار الصحيح لنوع الشبكةوجودتها وبنيتها التحتية يجب أن يحقق:

* سلامة المنشأة الصناعية والعاملين فيها.

* تحسين مردود المنشأة الصناعية ومساعدتها في تطويرالإنتاج.

* تحسين تطوير أداء العاملين والعمليات الإنتاجية للمنشأةالصناعية.

* مواكبة المنشأة الصناعية لمتطلبات ومعايير الصناعةالحديثة.

الخواصالهامة الرئيسية في انتقاء الشبكة الصناعية :

1.وثوقية عالية لعمل الشبكة لتحقيق استمرار أدائها وضمان أمنالمعلومات المتناقَلة.

2.جودة تجهيزات الشبكة يجبأن تكون عالية لضمان كفاءتها وعملها دائماً.

3.مقدرة الشبكة الصناعيةعلى إنجاز المَهامّ المطلوبة منها في الاتصال والتحكم.

4.توفير إمكانات الاتصالالدائم المحلي والخارجي بالسرعة المفروضة على الشبكة.

5.تحقيق سهولة الاستثمار لمستخدمي الشبكة وخاصة أصحاب القرار فيها.

6.قابلية الربط معشبكات أخرى ستتعامل معها أثناء الاستثمار الفعلي.

7.سهولة الصيانة وتجزئة توقف العمل، شريطة كون زمن التوقف بحدهالأدنى عند الخلل.

8.تحديد مقدار تحمل الشبكة الصناعية للبيئة التي ستستخدم بهاومناعتها ضد الأعطال.

9.معرفة مستوى جودة التوثيقِ في الشبكة أثناء جميع حالات عملهاوتوقفاتها.

10.تمتع الشبكة الصناعية بخاصية سهولة الضبط (Calibration) والمعايرة السريعة.

11.قابلية الشبكة للتحديث والتكامل المستقبلي مع الأنظمة الحديثة ودعمهاللمعايير القياسية.

12.قابلية الشبكة للتأقلم مع البرمجيات الحديثة وتقبلها لتطبيقاتالمتحكمات الصناعية.

13.تناسب سعر الشبكة وتكلفة تركيبها مع المواصفات والأداء المقدّموالمطلوب تحقيقه.

تحليلأمن الشبكات السلكية واللاسلكية:

من المُهم فَهْم التهديدات الرئيسية في الشبكات الصناعية،السلكية منها واللاسلكية أثناء التخطيط للشبكة، لأن غالبية السيناريوهات لتوضّعالشبكات تتوافق مع المخطّط المبين :





تعتبر أي شبكة محلية سلكية منها أو لاسلكية غير آمنة،لأنها سهلة الوصول إلى أي شخص على مقربة منها. فعلى أيّ موظف أو مستخدم لشبكة اتصالاتمحلية أن يأخذ بعين الاعتبار دوماً سرية وأمان الشبكة التي يستخدمها، من ناحيةالدخول( غير المصرح به) دخولاً غير مقصود أو متعمد. إذ يمكن الدخول إلى الشبكةالسلكية ( التي تعتبر شبكة آمنة إلى حدٍّ ما ) عن طريق الشبكة اللاسلكية المرتبطةبها ( التي تعتبر شبكة غير آمنة ). وهذا يستدعي ضرورة تزويد مخدم الشبكة السلكيةالمحلية ببرامج خاصة تقوم بدور بوابات آمنة، وجدار مراقبة وحماية موثوق بها مِنالخرق والدخول غير المصرح به.

يجبأن يتركز الاهتمام أيضاً، عند انتقاء الشبكة، بوجهٍ خاص على بناء شبكة اتصالاتوتحكم صناعية منيعة ضد الضجيج وتخامد الإشارة، والتداخل الكهرطيسي الموجودة فيغالبية البيئات الصناعية، إذ كان من المعتمد سابقاً استخدام النظام IEEE 802.11 الذي يركزعلى مجال اتصال عالٍ بدلاً من تحقيق المناعة القوية والضرورية لشبكات الاتصالاللاسلكية IC-WLAN.. إلا أنه حالياً يُعتمد النظام الخَلَوِيّ Direct Sequence Spread Spectrum DSSS-CDMA الذي يحقق مناعة أقوى بكثير ضد الضجيج مع إمكان نقل إشارات اتصالوتحكم منخفضة جداً عبر الطيف المنثور.

جزاك الله كل الخير

جزاك الله الف خير

شكرا كثيرا و بارك الله فيكم

--------------------------------------------------------------------------------



شكرا كثيرا و بارك الله فيكم

شكرا كثيرا و بارك الله فيكم