The Dawn of Industrial Networking: Proprietary Systems and Fieldbuses

وقبل بلوغ سن الناموسية، كان حجم المصنع يعمل على مجموعة من نظم حقول الملكية وشبه الملكية، وفي السبعينات والثمانينات، كان ربط جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة بالأجهزة الاستشعار والمحاضرات يعني تشغيل أسلاك متوازية ضخمة من كل جهاز إلى خزانة مراقبة مركزية، وكان هذا النهج مكلفاً، وصعباً تغيير خطوط الإنتاج المطلوبة.

The introduction of digital fieldbus networks in the mid-1980s marked the first major leap forward. Standards like Profibus (Process Field Bus), developed by Siemivity and promoted by Profibus " Profinet International, and Modbus

وفي حين أن هذه المطابع الميداني مبسطة إلى حد كبير، وتحسّن التشخيص، فإنها بعيدة عن الكمال، وكثيرا ما تتطلب كل معيار رقائق متخصصة، وبرامجيات للتشكيل العقاري، وكابلات محددة، وقد كانت قابلية التشغيل البيني بين جهاز تحديد المواقع وشبكة أجهزة التفكيك غير موجودة أساسا دون وجود بوابات مُعدّلة التكلفة، وكانت معدلات البيانات، التي تتراوح عادة بين 1 ميغابايت و 12 ميغابايت، غير كافية في المستقبل بالنسبة لارت في المستقبل.

EtherNet/IP: Leveraging the Common Industrial Protocol

(أ) أدى الضغط على نظام الرقابة الصناعية على شبكة Ethernet إلى وضع عدة معايير منافسة لشبكة الطاقة الكهربائية في أواخر التسعينات وأوائل العقد الأول من القرن الماضي، ومن بين أكثرها نجاحاً EtherNet/IP[FL:1]، اشترك في تطويرها شركة روكويل للتأهيل وتديرها [FLCom:2]

وقد أعطت هذه الاستراتيجية شبكة إيثر إنترنت عدة مزايا فورية، ويمكن أن تدار على معدات إلكترونية متاحة بسهولة، ومن خارج الشبكة (الرائدات، والكابلات، والوصلات الشبكية) وقد تدعم كل من الرسائل الضمنية (الواقعية) التي تستخدمها الشبكة العالمية من أجل الأداء السريع، وترسل رسائل واضحة (التداول والتشخيص) باستخدام تكنولوجيا المعلومات لأغراض التبني المضمون.

التحدي الأساسي: Determinism vs. Best Effort

وقلب المشكلة يكمن في فلسفة التصميم الأصلية لمقياس الشبكة الحرارية 802.3 EEEE، وشبكة إيثريت الموحدة هي شبكة غير محددة، وشبكة " أفضل ما يمكن " ، واذا كان هناك جهازان يحاولان نقل البيانات في وقت واحد، يحدث اصطدام، وتتبع بروتوكول ناقلات متعددة مع كشف صدمات اصطدامات اصطدامات الاصطدام، هذا عن طريق وجود جهازين من أجهزة الانتظار.

غير أن هذا النوع من التنظيف والبطء في أرض المصنع مفجع، ففي حين أن نظام مراقبة الحركة الذي ينسق ذراعا آليا عالي السرعة قد يتطلب تحديثا للموقع كل 31.25 ثانية دقيقة، فإن وجود غلطة مفقودة أو متأخرة يمكن أن يسبب أخطاء في التزامن، مما يؤدي إلى اليقظة الميكانيكية أو التلف في العمل أو التوقفات الطارئة، حيث أن النظم الصناعية التي تدفع إلى زيادة الدقة، فإن الحل العشوائي للأدوية قد أصبح غير مقبول.

شبكة الطوارئ الحقيقية: الحلول الأساسية لمشكلة التوقيت

To achieve the deterministic communication required for hard real-time applications, several standard bodies and buyers developed specialized protocols. These "Real-Time Ethernet" (RTE) standards took different approaches to circumvent the non-determinism of standard Ethernet. Three of the most notable examples are EtherCAT, PRO

  • (الشبكة الإلكترونية لتكنولوجيا التحكم في التلقّي الآلي)، التي طورتها بيكهوف، تستخدم طريقة " تجهيز الطّائرة " ، ويرسل المعلم إطاراً واحداً للبرقية يمر عبر كل جهاز من أجهزة العبيد، ويقرأ كل عبد بياناته المُدخلة ويُدرج بيانات ناتجه في الإطار الذي يمر به، ويعود الإطار إلى النظام المُعَدّ بكلّ طريقةٍ من الوسائل المتخصّصة.
  • (PROFINET IRT) (Isochronous Real-Time) التي طورتها شركة Siemens and Profibus " Profinet International) تأخذ نهجا مختلفا، وتقسم دورة الاتصال إلى مرحلة محددة من مراحل الدمج للبيانات الحساسة من حيث التوقيت والمرحلة المفتوحة من الزمن بالنسبة للشبكة الموحدة للتبادل التجاري/الحركة الدولية، وتلزم المرحلة القصوى للبرمجيات.
  • (نظام الاتصالات في الوقت الحقيقي) يستخدم نهجاً " إطار الاستهلاك " مماثلاً لـ " إيثرت أطباء الأطفال " ، ولكنه يدعم طب طبوياً زائداً عن الحاجة من أجل توافره على نطاق واسع، مثل " بروفينت إي آر تي " ، يتطلب الدعم على مستوى الأجهزة من أجل التوقيت الدقيق وتعبئة الأجهزة دون تعطيل الدورة المحددة.

وكل هذه الحلول فعالة، إذ يمكن لشبكة " إيثر " أو " بروفينت " (ProFINET IRT) أن تحقق " جليسة " في النطاق الثاني من النانو، إلا أن هذه الفوائد تأتي بتكلفة: قفل المورد، والاعتماد على المعدات المتخصصة، والهندسة المركبة للشبكات، وعدم القدرة على التقارب دون هوادة مع الشبكات القياسية لتكنولوجيا المعلومات، وكل معيار من معايير تبادل المعلومات هو الذي لا يزال يشكل تحدياً مستمراً.

شبكة محسسة للوقت: مجموعة المعايير الموحدة

The answer to the fragmentation of industrial functioning networks is ]Time-Sensitive Networking (TSN). TSN is not a single protocol but a comprehensive set of IEEE 802.1 Ethernet sub-standards developed by the ]IEE TSN Task Group

والفلسفة الأساسية للشبكة تختلف اختلافا جذريا عن الحلول السابقة لحيازة الممتلكات، بدلا من تغيير هيكل إطار الشبكة الحرارية أو اشتراط أن يكون النسيق العرفي لمعالجة الجدولة المحددة، وتعمل شبكة TSN بتوحيد سلوك مفاتيح الشبكة، ويمكن أن يعطي مفتاح التحويل القابل للتداول الأولوية لحركة المرور، ورسم شكل تدفقات البيانات، وتزامن ساعات الشبكة مع ارتفاع الدقة، مع استخدام 100 جهاز قياسي.

"المُفتاح الفرعي" "الذي يجعل "تي إس إن" يعمل

وتُعرَّف شبكة المعلومات الاستراتيجية التقنية بمجموعة من المعايير، يتناول كل منها جانباً محدداً من جوانب الاتصال المحدد، ويُعد فهم بعض العناصر الرئيسية أمراً أساسياً لتقدير قوتها.

  • (IEE 802.1AS: Clock Synchronization] (البروتوكول العام لتوقيت الدقة، GPTP) وهذا هو الركيزة الأساسية لأي شبكة من شبكات TSN، وهو يوفر آلية لجميع الأجهزة الموجودة في الشبكة لتزامن ساعاتها مع مصدر زمني مشترك مع دقة دون ميكروسية ثانية.
  • هذه الآلية التي تُنفّذ التسمية 802.1Qbv: Time-Aware Shaper (TAS) ، وهي الآلية التي تُنفّذ التسمية. 802.1Qbv تقسم تشغيل ميناء منفذ إلى دورات زمنية مكررة، وفي كل دورة، يتم تحديد موقع المرور المُشوّف في لحظة محددة،
  • IEE 802.1Qci: Per-Stream Filtering and Policing]. To protect the network from misconfigured or malfunctioning devices, 802.1Qci allows shiftes to monitor and enforce bandwidth limits on specific data streams. If a sensor begins broadcasting much data, the TSN frame automatically can.
  • (أ) أن يكون جهاز إرسال مكرراً، ويرسل النسختين على مسارات منفصلة جسدياً عبر الشبكة، إذا استمر جهاز الاسترجاع في التصفير، إذا لم تصل إليه أي كمية من البيانات، فإن جهاز الاسترجاع لا يزال غير قابل للثبات.

وتشكل هذه المعايير، إلى جانب معايير أخرى لحجز المسار (802.1Qat) والتسجيل على أساس الاتصال (802.1CS)، مجموعة أدوات قوية تتيح لمهندسي الشبكات تصميم نظم ذات صبغة مضمونة، وعدم فقدان أي عبوة، والتسامح إزاء الأخطاء، وجميعها على معدات شبكة Ethernet القياسية.

How TSN Enables Deterministic Communication over Standard Ethernet

الانتقال من شبكة الإثيرنيت غير المحددة، إلى شبكة تحديدية تعمل بشبكة مُديرة من شبكة (تي إس إن) هو تغيير أساسي في كيفية تشغيل الشبكة، وفي شبكة مُحوّلة، تتنافس مسارات البيانات المتعددة على نطاق واسع في ميناء (إيغروس) الغيلان، وتُستَفَدُ الحزمة العازلة التي تُشغل في البداية، أو في البداية، في الخارج، أو في حالة تسلسل سريع مُفاجئي من الإفتة البيانات.

"الوحدة تُلغي هذا الزعم من خلال الجدولة المحددة في 802.1Qbv" "الحسابات الزمنية" "الطاقة" "الحياة" "الحياة" "الزجاجات"

وعلاوة على ذلك، فإن شبكة TSN مصممة للتقارب، لأن حركة المرور في مجال المراقبة مقررة ومحمية بدقة برقم 802.1Qci، ويمكن استخدام ما تبقى من نطاقات الترددات والوقت بحرية بواسطة بروتوكولات أخرى، ويمكن أن يحمل كابل واحد مسارا لمراقبة حركة " بروفينت " ، وتحديثا لتشكيلات مكتب تنسيق الشؤون الاقتصادية والاجتماعية، وصفحة شبكية نموذجية من طراز HTTP، ودعوة من أجل الحصول على الصوت دون أي منها يتداخل بشكل كبير مع حلقة التحكم في تحديد التكلفة.

The Impact of TSN on the Industrial and Professional Landscape

ويعيد تشغيل شبكة TSN تشكيل التشغيل الآلي الصناعي، وشبكات السيارات في المركبات، والسمعية/الفيديو المهنية، وبالنسبة لمالكي المصانع، تتمثل الفائدة الرئيسية في تقارب شبكات تكنولوجيا العمليات وتكنولوجيا المعلومات، ويتيح هذا النظام للمصنع أن يتكلم اللغة المفتوحة نفسها التي ينشرها مركز البيانات التابع للشركات، ويقلل هيكل الشبكة من تكاليف المعدات، ويتيح تطبيقات جديدة قوية مثل التوائم في مجال الاتصال الرقمي.

وبالنسبة للبائعين الآليين، تمثل شبكة TSN تحولا في نماذج الأعمال التجارية، وبدلا من حبس العملاء في بروتوكول حقيقي مأمون، يمكن للبائعين الآن أن يركزوا على القيمة المضافة لأجهزة التحكم والاستشعار الخاصة بهم، مما يُعزز طبقة النقل المفتوحة للشبكة، وتقوم المنظمات الرئيسية مثل تحالف أفنو باختبارات عوامل الإنتاج غير المأمونة لضمان الامتثال والقابلية المشتركة.

ومن أكثر المزايا العملية للشبكة أنها لا تتطلب التخلي عن البروتوكولات القائمة المتعلقة بطلبات التوريد، بل إن القادة في مجال التشغيل الآلي يكيفون بروتوكولاتهم ليديروا شبكة TSN.

  • PROFINET over TSN ]: PI is developing "PROFINET over TSN" (المعروف أيضا باسم " PROfinet RTC) لإزالة الحاجة إلى أجهزة تكييف ذاتية خاصة بالبرمجيات، مما يسمح للبرمجيات بأن تعمل على مفاتيح ثابتة قادرة على إحداث تغيير كبير في المعدات، مع الحفاظ على نفس مستويات الأداء.
  • CC-Link IE TSN : كان اتحاد التشغيل الآلي الياباني CLPA أول من يجمع بين عرض النطاق الترددي المغنطيسي مع سمات TSN، وهو يستخدم 802.1Qbv للاتصال المحدد، مع دعم حركة المرور المعيارية للفينول الخماسي الكلور/الشراكات الدولية في نفس الشبكة.
  • OPC UA over TSN]: إن تركيبة الاتصالات الموحدة للمنبر المفتوح هي المعيار الفعلي لتبادل البيانات الذي يعتمد على المنبر ويؤمنه، وعندما يقترن ذلك بشبكة TSN (OPC UA FX)، يصبح قادرا على الجمع بين أجهزة الاتصال السحابية ذات الوقت الحقيقي، وعلى الاتصال المباشر بين أجهزة الاتصال والتحكم في المعايير.

The Future of Industrial Networks: TSN, 5G, and the Road to Industry 4.0

The evolution of industrial networking is far from over. TSN provides the wired deterministic backbone, but the modern factory demands wireless flexibility. The convergence of TSN with 5G Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) is the next major boundary. The 3G Release 16 specification integrates TS act with 5G

الأمن في عالم مختلط

كما أن تقارب شبكات تكنولوجيا المعلومات وشبكة OT يوسع نطاق سطح الهجوم، فبدون أمن صارم، يمكن أن يؤثر حاسوب محمول من المكاتب المهددة نظرياً على خلية آلية خاضعة لسيطرة TSN، وتعتمد عمليات النشر المقبلة على نحو متزايد على معايير أمنية قوية، مثل سلسلة الـ 62443 ] لأمن شبكات الاتصالات الصناعية.

خاتمة

إن المسار من عمليات الضبط الميداني للملكية إلى شبكة الطاقة الكهربائية/الشراكة الدولية، والآن إلى النظام الإيكولوجي المفتوح والمحدد للشبكة الحساسة للزمن، يعكس الطلب الصناعي المتردي على نظم أسرع وأذكى وأكثر موثوقية، وفي حين أن بروتوكولات الشبكة الجوية المتخصصة في الوقت الحقيقي نجحت في حل التحدي الذي يواجهه بائعون محددون، فإن الشبكة الدولية للبرمجيات تحقق ذلك على الصعيد العالمي.