دليل الاتصال الصناعي بشبكة إيثرنت والاتصال اللاسلكي الصناعي

يُعيد الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء تشكيل البنية التحتية لمراكز البيانات الحديثة. ويتطلب تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي، وتطبيقات التعلم الآلي، والتحليلات المتقدمة، وبيئات الحوسبة عالية الأداء نطاقًا تردديًا أعلى بكثير، وزمن استجابة أقل، وموثوقية شبكة أكبر من أحمال العمل التقليدية للمؤسسات.

مع استمرار المؤسسات في توسيع قدراتها في مجال الذكاء الاصطناعي، يواجه مُكاملُو الأنظمة ضغوطًا متزايدة لتصميم بنى تحتية قابلة للتوسع تدعم بيئات الحوسبة المكثفة ونقل البيانات الضخمة عبر الخوادم وأنظمة التخزين ومعدات الشبكات. ويتطلب توسيع نطاق بنية مراكز البيانات لأحمال عمل الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء حلول اتصال مادي موثوقة تضمن أداءً ثابتًا ونموًا مستقبليًا وكفاءة تشغيلية في بيئات عالية الكثافة.

1. ما هي التقنيات اللاسلكية الصناعية الرئيسية؟

لا تُعدّ الاتصالات اللاسلكية الصناعية تقنية واحدة، بل هي مجموعة من البروتوكولات المصممة لحالات استخدام مختلفة تمامًا. وقد يكون اختيار البروتوكول الخاطئ مكلفًا.

1. واي فاي 6 وواي فاي 6E (IEEE 802.11ax)

يُعدّ Wi-Fi 6 الحل الأمثل عندما تكون هناك حاجة إلى معدل نقل بيانات عالٍ للأصول المتنقلة ضمن بيئة ترددات لاسلكية مُتحكّم بها. وتقوم مصانع تجميع السيارات الحديثة التي تُشغّل المركبات الموجهة آليًا (AGVs) وواجهات المستخدم الرسومية المتنقلة (HMIs) وأنظمة الرؤية الآلية، عادةً بنشر تقنية Wi-Fi 6 على نطاق 5 جيجاهرتز مع تخطيط دقيق لمواقع نقاط الوصول.

يتراوح زمن الاستجابة عادةً بين 2 و20 مللي ثانية، وذلك تبعاً لحمل الشبكة وقرب نقاط الوصول. وهذا مناسب لمعظم تطبيقات الخدمات اللوجستية والمراقبة، ولكنه غير كافٍ عموماً للتحكم في الحركة.

تعمل تقنية Wi-Fi 6E على توسيع نطاق التردد المتاح من خلال إضافة نطاق 6 جيجاهرتز، الذي يظل غير مزدحم نسبيًا في البيئات الصناعية. بالنسبة للمنشآت التي تعاني من ازدحام نطاقي 2.4 جيجاهرتز و5 جيجاهرتز، غالبًا ما يكون الاستثمار الإضافي في تقنية Wi-Fi 6E مجديًا.

2. لوراوان

صُممت تقنية LoRaWAN لشبكات الاستشعار بعيدة المدى ومنخفضة معدل نقل البيانات والتي تعمل بالبطاريات. وهي ليست بديلاً عن تقنية Wi-Fi، بل تُعالج مجال تطبيقات مختلفاً تماماً.

تشمل حالات الاستخدام النموذجية ما يلي:

• الكشف عن تسربات خطوط الأنابيب
• مراقبة مستوى الخزانات في المواقع الصناعية الكبيرة
• مراقبة حالة الأصول البعيدة
• تطبيقات الاستشعار الزراعية والمرافق

على الرغم من أن معدلات نقل البيانات محدودة بحوالي 50 كيلوبت في الثانية، إلا أن بوابة واحدة يمكنها توفير تغطية عبر عدة كيلومترات، في حين يمكن للعقد التي تعمل بالبطاريات أن تعمل لسنوات دون استبدال.

3. ISA100.11a و WirelessHART

تعتبر معايير ISA100.11a و WirelessHART هي المعايير اللاسلكية السائدة في الصناعات التحويلية مثل النفط والغاز والمواد الكيميائية ومعالجة المياه.

كلاهما يعمل في نطاق ISM بتردد 2.4 جيجاهرتز ويستخدمان تقنية طيف الانتشار بالقفز الترددي لتحسين مقاومة التداخل.

يوفر WirelessHART توافقًا مع الإصدارات السابقة من تركيبات HART السلكية الحالية، مما يجعل عملية الانتقال أسهل للمنشآت التي تستخدم بالفعل أجهزة ميدانية تدعم تقنية HART.

يوفر معيار ISA100.11a مرونة ووظائف أكبر ولكنه يتطلب عمومًا جهدًا أكبر في التكوين.

تم تصميم كلتا التقنيتين خصيصاً للبيئات الصناعية والبيئات المتعلقة بالسلامة ذات الأهمية البالغة.

2. كيف يختلف الإيثرنت الصناعي عن الإيثرنت القياسي؟

تستخدم شبكة إيثرنت الصناعية نفس الطبقة المادية IEEE 802.3 المستخدمة في شبكات المكاتب، بما في ذلك نفس مبادئ كابلات الإيثرنت وبروتوكولات TCP/IP، وغالبًا ما تستخدم واجهات RJ45.

ومع ذلك، يضيف إيثرنت الصناعي ثلاث قدرات بالغة الأهمية لا يمكن أن يضمنها إيثرنت المكتب القياسي:

• التواصل الحتمي
• أجهزة متينة
• امتدادات بروتوكول الأتمتة الصناعية

الحتمية هي العامل الرئيسي للتمييز.

عندما يُصدر نظام التحكم تعليماتٍ لمحرك سيرفو بالتحرك في لحظةٍ محددة، فإن أي تأخيرات غير متوقعة، حتى لو كانت لبضع أجزاء من الثانية، تُعدّ غير مقبولة. تعالج بروتوكولات إيثرنت الصناعية هذا التحدي من خلال تقنيات مثل بروتوكول التوقيت الدقيق IEEE 1588 (PTP)، وجدولة حركة البيانات ذات الأولوية، ودورات الاتصال المخصصة.

1. بروفينيت

تم تطوير PROFINET بواسطة شركة سيمنز ويتم صيانته بواسطة PI (PROFIBUS & PROFINET International)، وهو معيار إيثرنت الصناعي السائد في قطاعات التصنيع الأوروبية.

يدعم بروتوكول PROFINET IRT (الوقت الحقيقي المتزامن):

• أوقات الدورة أقل من 1 مللي ثانية
• تذبذب أقل من 1 ميكروثانية

هذه الإمكانيات تجعلها مناسبة لأنظمة الأتمتة عالية التزامن.

2. إيثرنت/آي بي

تُعد بروتوكولات EtherNet/IP، التي تديرها ODVA، بروتوكول إيثرنت الصناعي المفضل في بيئات التصنيع المنفصلة في أمريكا الشمالية، وتستخدم على نطاق واسع في أنظمة Rockwell Automation (Allen-Bradley).

يقوم بروتوكول EtherNet/IP بتشغيل بروتوكول الصناعة المشترك (CIP) عبر شبكات TCP/UDP/IP القياسية، مما يسمح بالتكامل السلس مع البنية التحتية لتكنولوجيا المعلومات الحالية دون الحاجة إلى محولات إيثرنت متخصصة.

3. إيثركات

يُعد بروتوكول EtherCAT، الذي طورته شركة Beckhoff، من بين أسرع بروتوكولات إيثرنت الصناعية المتاحة اليوم.

تشمل خصائص الأداء الرئيسية ما يلي:

• أوقات الدورة أقل من 100 ميكروثانية
• تزامن دقيق للغاية
• معالجة الإطارات بكفاءة من خلال كل عقدة

بدلاً من استقبال وإعادة إرسال إطارات الإيثرنت، تقوم أجهزة EtherCAT بمعالجة البيانات في الوقت الفعلي أثناء مرور الإطارات من خلالها.

وهذا يجعل EtherCAT مناسبًا بشكل خاص لما يلي:

• التحكم في الحركة متعدد المحاور
• الروبوتات المستخدمة في عمليات الالتقاط والوضع
• أنظمة الاختبار الآلية
• معدات التصنيع عالية السرعة

تم تصميم النظام البيئي للأجهزة الداعمة - بما في ذلك تجميعات كابلات إيثرنت الصناعية المحمية، وموصلات إيثرنت الصناعية M12، ومفاتيح PoE الصناعية - لتحمل درجات الحرارة القصوى والاهتزاز ومتطلبات الحماية من دخول الأجسام الغريبة الصعبة.

3. أسئلة وأجوبة سريعة

س1: ما هو الإيثرنت الصناعي، وكيف يختلف عن الإيثرنت القياسي؟

تستخدم شبكة إيثرنت الصناعية نفس المعايير المادية IEEE 802.3 المستخدمة في شبكة إيثرنت التجارية ولكنها توسعها ببروتوكولات اتصال حتمية مثل PROFINET و EtherNet/IP و EtherCAT، بالإضافة إلى موصلات متينة، وتصنيفات درجة حرارة أوسع، ومستويات حماية أعلى ضد دخول المواد الخطرة.

يتمثل الاختلاف الأهم في ضمان التوقيت. إذ يمكن لشبكة إيثرنت الصناعية تحقيق أوقات دورة أقل من جزء من الألف من الثانية مع تذبذب في مستوى الميكروثانية، وهو ما لا تستطيع شبكة إيثرنت التقليدية توفيره بشكل موثوق.

س2: هل يمكن للشبكات اللاسلكية الصناعية أن تحل محل شبكة الإيثرنت الصناعية للتحكم في الحركة؟

ليس مناسبًا بعد لتطبيقات التحكم في الحركة في الوقت الحقيقي الصارم.

تُتيح أحدث خيارات الاتصال اللاسلكي، بما في ذلك شبكات الجيل الخامس الخاصة المزودة بتكوينات URLLC، تحقيق زمن استجابة يتراوح بين 1 و5 مللي ثانية. ومع ذلك، لا تزال التطبيقات المعتمدة للتحكم في الحركة في التطبيقات الحساسة للسلامة محدودة.

تُعدّ التقنيات اللاسلكية مناسبة لما يلي:

• مدخلات/مخرجات الناقل
• أنظمة المراقبة
• الأتمتة غير الحرجة للسلامة

بالنسبة للتحكم المتزامن في المحركات المؤازرة، يظل الإيثرنت الصناعي السلكي هو الحل المفضل.

س3: ما هي تقنية الاتصالات اللاسلكية الصناعية التي توفر أكبر تغطية؟

توفر تقنية LoRaWAN أوسع نطاق تغطية.

يشمل الأداء النموذجي ما يلي:

• أكثر من 15 كيلومترًا في بيئات خارجية مفتوحة
• مسافة تتراوح بين 2 و 5 كيلومترات تقريباً في منشآت صناعية بها عوائق

وهذا يجعل تقنية LoRaWAN مثالية لما يلي:

• مراقبة خطوط الأنابيب
• قياس المرافق
• الاستشعار الزراعي
• المراقبة الصناعية واسعة النطاق

تستخدم ISA100.11a و WirelessHART بنى شبكات متداخلة تعمل على توسيع التغطية من خلال الاتصال من عقدة إلى عقدة، وعادة ما تحقق حوالي 300 متر لكل قفزة.

س4: هل يصعب تأمين الشبكات الهجينة السلكية واللاسلكية؟

إنها تتطلب اهتماماً إضافياً، ولكن ليس بالضرورة تكلفة أكبر.

تشمل أفضل الممارسات ما يلي:

• التعامل مع قطاعات الشبكات اللاسلكية كشبكات غير موثوقة
• تجزئة شبكة VLAN
• مصادقة WPA3-Enterprise
• كشف نقاط الوصول غير المصرح بها

تدعم العديد من المحولات الصناعية الحديثة هذه الإمكانيات الأمنية بشكل أصلي، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة أمنية منفصلة في عمليات النشر المصممة جيدًا.

س5: ما الذي يجب تقييمه أولاً عند اختيار تقنية الاتصال؟

ابدأ بالسؤال عما إذا كان الأصل يتحرك أثناء التشغيل.

• إذا كانت هناك حاجة إلى التنقل، فمن شبه المؤكد أن الاتصال اللاسلكي سيكون جزءًا من الحل.
• إذا لم تكن هناك حاجة إلى التنقل، فحدد ما إذا كان التطبيق يحتاج إلى توقيت محدد أقل من 5 مللي ثانية.

إذا حدث ذلك، فإن شبكة إيثرنت الصناعية هي عادةً الخيار الأكثر أمانًا.

جميع الاعتبارات الأخرى - بما في ذلك المدى وعرض النطاق الترددي والتكلفة - ثانوية بالنسبة لهذين السؤالين الأساسيين.

خاتمة

سوفتيلتدعم Softel بنية إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) من خلال حلول اتصال متينة مصممة خصيصًا للبيئات الصناعية الصعبة. بدءًا من مكونات إيثرنت الصناعية وكابلات الألياف الضوئية المعززة وصولًا إلى دعم الشبكات الطرفية، تساعد Softel المؤسسات على بناء شبكات موثوقة على مستوى الطبقة المادية تضمن استقرار الأنظمة الصناعية وأدائها وقابليتها للتوسع على المدى الطويل.