نظام توصيل إطارات البيانات عبر شبكات الاتصالات

تقوم شبكات الاتصالات المختلفة للسماح بتوجيه إطارات بيانات الاتصال باستخدام بروتوكول توجيه شبكة واحد يتم إرساله عبر الشبكة باستخدام بروتوكول توجيه شبكة ثانٍ، وكما يتعلق باستقبال ومعالجة ونقل إطارات البيانات.

أساسيات نظام توصيل إطارات البيانات عبر شبكات الاتصالات

كانت أنظمة التحكم في العمليات والأجهزة الميدانية المعتمدة لتحقيق التحكم في العمليات في المعالجة تتم مراقبتها بشكل عام والتحكم فيها بطريقة موزعة، وبسبب الافتقار إلى بروتوكولات الاتصال الموحدة وقوة الحوسبة تم ترك مراقبة الحلقة المغلقة، وتم التحكم بها لمشغل المصنع الذي كان في الموقع محلياً لمصنع المعالجة نفسه.

أدت الحاجة إلى مراقبة ومراقبة العمليات المركزية عن بُعد إلى تطوير ونشر الأجهزة الميدانية التي تستخدم وعلى سبيل المثال أدوات حلقة التيار “2-wire 4-20mA” المعروفة، وغيرها من أنظمة الاتصالات السلكية ثنائية النقط، وأدى توافر أجهزة الكمبيوتر منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة إلى تسهيل نشر الأجهزة الميدانية الذكية مع زيادة قوة المعالجة أي المعالجات الدقيقة، وقدرات الاتصالات السلكية واللاسلكية.

كما أصبحت الأجهزة الميدانية الذكية الآن قادرة بشكل متزايد على الاتصال أي الشبكة بأنظمة التحكم المركزية في العمليات من أجل التحكم المتبادل والآلي، حيث تحولت هذه القدرة المحسّنة على الربط الشبكي إلى تحكم محسّن في مصنع المعالجة، ونتيجة لذلك تم تحسين مخرجات مصنع المعالجة.

ومن أجل تحسين قبول الأجهزة الميدانية الذكية في صناعة التحكم في العمليات وتحسين قابلية التشغيل الداخلية بين هذه الأجهزة الميدانية جزئياً، يمكن لبائعي الأجهزة الميدانية تمكين اتصال الأجهزة الميدانية بين مصانع المعالجة.

تم تطوير وتوحيد العديد من بروتوكولات الشبكة الرقمية، وبعض المعايير مثل بروتوكول محول الطاقة عن بُعد القابل للعنونة على الطريق السريع “HART”، وهي أنظمة تماثلية ثنائية الأسلاك موجودة في كل مكان في أماكن عمل مصنع المعالجة لنقل واستقبال المعلومات الرقمية بين الأجهزة الميدانية.

وكانت فعالة بشكل خاص لأنّها استخدمت البنية التحتية لـ “4-20mA”، حيث تضمنت المعايير الأخرى الأنظمة القائمة على الناقلات مثل معيار ناقل المجال، وأدت زيادة قوة الحوسبة وزيادة تكامل المكونات والتقدم في المجال العام لمعالجة الإشارات إلى تطوير تردد لاسلكي منخفض التردد “RF”، أو معايير اتصالات لاسلكية لاستخدامها في صناعة التحكم في العمليات.

كما تم تطوير بعض هذه البروتوكولات للعمل في ترددات كهرومغناطيسية صناعية وعلمية وطبية “ISM” غير مرخصة أو غير مرخصة بشكل كبير مثل النطاق “2.4 جيجاهرتز”، وتم نشر الأجهزة التي تدعم بروتوكولات الاتصال “RF” ذات التردد المنخفض والإنتاجية المنخفضة ضمن نطاق “ISM”، ولا تزال تُنشر في بيئات المعالجة.

كما يمكن أن تسن لوائح يمكن أن تحد من قدرة النقل القصوى، لذلك غالباً ما يشار إلى هذه البروتوكولات على أنّها بروتوكولات اتصالات منخفضة الطاقة، كما تم تكييف العديد من بروتوكولات الشبكات السلكية بما في ذلك بروتوكول “HART” للاستفادة من القدرات الراديوية لهذه الأجهزة الميدانية.

وعلى وجه التحديد تطور بروتوكول “HART” اللاسلكي من بروتوكول “HART” السلكي لتمكينه من خلال الاستفادة من قابلية التشغيل البيني للأجهزة الميدانية، والتي تدعم “HART” اللاسلكي داخل شبكة مصنع معالجة “HART” سلكية، وعلى الرغم من هذه التحسينات فإنّ اتصالات المعالجة تقتصر عموماً على بيئات المعالجة التي تتسم بالقوة والأمان المحددة للغاية.

• “HART” هي اختصار لـ “highway-addressable-remote-transducer”.

• “ISM” هي اختصار لـ “Industrial-Scientific-and Medical”.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio-frequency”.

مبدأ عمل نظام توصيل إطارات البيانات عبر شبكات الاتصالات

أصبحت أجهزة الكمبيوتر الشخصية أكثر شيوعاً حول العالم، بدءاً من الستينيات تقريباً وفي الوقت نفسه أدى التقدم الكبير في مجال شبكات الكمبيوتر للأغراض العامة إلى إنشاء الإنترنت، والذي تتواصل من خلاله أجهزة الكمبيوتر الشخصية مع بعضها البعض بسلاسة، كما أصبح هذا الاتصال السلس ممكناً إلى حد كبير من خلال قبول بروتوكول الإنترنت الإصدار “IPv4” والامتثال له.

كما يخصص بروتوكول “IPv4” جزئياً عنوان “IP” فريداً لجهاز كمبيوتر متصل عبر شبكة وبشكل عام الإنترنت، وغير قادر على توقع قبول واسع النطاق لـ “IPv4” وقام مطورو مواصفات “IPv4” بتقييد الحد الأقصى لحجم عنوان “IP” للكمبيوتر إلى “32 بت”.

ومع ذلك فإنّ إضافة أجهزة الكمبيوتر المترابطة بما في ذلك الخوادم وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية، قد أنتجت حالة يمكن فيها استنفاد عناوين “IPv4” في مستقبل يمكن التنبؤ به حيث يزيد معيار بروتوكول “IPv6″، والمقترح حديثاً مساحة أو طول عنوان “IP” جزئياً إلى “128 بت.

وأصبح استخدام بروتوكولات الإنترنت والمشار إليها هنا باسم بروتوكولات شبكة “IP” للتوجيه وأنشطة الاتصال الأخرى في كل من البيئات السلكية واللاسلكية منتشراً على نطاق واسع، كما تم تطوير معظم التطبيقات التي يتم تطويرها حالياً للتواصل خارج الجهاز باستخدام بروتوكول الإنترنت باعتباره العمود الفقري للاتصال أو لاتصالات الشبكة.

وعلى الرغم من وجود العديد من الاستخدامات للتقدم في شبكات الكمبيوتر للأغراض العامة المستخدمة في أنواع أخرى من اتصالات الشبكة، مثل الهواتف المحمولة وتطبيقات المراقبة الأمنية وبروتوكولات شبكة التحكم في العمليات الحالية غير مجهزة بشكل جيد، ولا تتوافق بشكل عام مع بروتوكولات شبكة الكمبيوتر ذات الأغراض العامة مثل “IPv4” أو “IPv6” التي تسمح بدمج هذه البروتوكولات في بيئة مصنع العملية بدون بنية تحتية داعمة للاتصالات.

كما تم تطوير معظم بروتوكولات شبكة التحكم في العمليات الحالية بشكل مستقل عن بروتوكولات الكمبيوتر ذات الأغراض العامة الأكثر شيوعاً مثل بروتوكولات الاتصال “IPv4” أو “IPv6“، وبالإضافة إلى ذلك فإنّ آليات الأمان القوية المتاحة في بروتوكولات الكمبيوتر للأغراض العامة مثل تشفير “128 بت” لم تتطور إلى شبكات محددة، كما إنّ معظم بروتوكولات اتصالات مصنع العمليات التي تنفذ ميزات الأمان غير متوافقة مع بروتوكولات أمان “IPv4″ و”IPv6” المعتمدة على نطاق واسع.

• “IP” هي اختصار لـ “Internet Protocol”.

تطور عمل نظام توصيل إطارات البيانات عبر شبكات الاتصالات

قد يكون من الممكن تعيين كل جهاز ميداني ذكي داخل مصنع معالجة قادر على الاتصال بعناوين “IPv6” باستخدام مساحة عنوان “IPv6” الموسعة حديثاً، لذلك من المفيد للغاية استخدام بروتوكول شبكات كمبيوتر للأغراض العامة مثل “IPv4” أو “IPv6” للتواصل داخل البيئة، والسماح بتوسيع هذه الاتصالات بسهولة إلى الأجهزة خارج البنية.

ومع ذلك لا تمتثل جميع الأجهزة الميدانية الذكية أو يتم تكييفها بسهولة لاستخدام بروتوكولات “IPv4” أو “IPv6” وبالتالي التواصل داخل بيئة البنية، كما تم استخدام بروتوكولات الاتصال “IPv4” أو “IPv6” لأداء وظائف التوجيه الأخرى غير ممكن حالياً وعلى وجه التحديد مع البرامج أو الأجهزة، حيث تتوافق قيود الأجهزة مثل ذاكرة الجهاز الميدانية المحدودة وقوة المعالجة مع بروتوكول “IPv4” أو “IPv6” أو تدعمهما.

كما يجعل من غير المجدي تقنياً تعديل الأجهزة الميدانية الحالية، وبالمثل تم استبدل جميع الأجهزة الميدانية الذكية، والتي تنفذ بروتوكولات الاتصال الحالية منخفضة الطاقة والإنتاجية والمنفذة في الشبكات الحالية ذات الأغراض الخاصة، مثل تلك التي تمت مواجهتها في أماكن عمل المعالجة بأجهزة ميدانية تدعم “IPv6”.

ونتيجة لذلك يمكن حتى للعديد من أجهزة الكمبيوتر داخل مصنع المعالجة تشغيل التطبيقات المطورة للاستخدام في بيئة بروتوكول اتصال “IPv4” أو “IPv6″، أو أجهزة خارج شبكة المعالجة التي تستخدم بروتوكول شبكة الاتصال هذا، كما يُمارس حالياً استخدام بروتوكولات “IPv4” أو “IPv6” المعروفة والمنتشرة في كل مكان للتواصل داخل أو بين الأجهزة داخل مصنع معالجة، وحتى لو كان بإمكان المرء الاستفادة من القدرة على التواصل بسهولة معها.