[ez-toc]

با توسعه زیرساخت‌های اتوماسیون صنعتی و افزایش نیاز به مدیریت هوشمند تجهیزات در زمان واقعی، انتخاب و پیاده‌سازی صحیح پروتکل‌های اسکادا نقش کلیدی در عملکرد، امنیت و بهره‌وری سیستم‌های کنترل صنعتی دارد. پروتکل‌هایی مانند Modbus، DNP3، IEC 61850، CIP، DeviceNet و CAN به‌عنوان ستون فقرات ارتباطی در سیستم‌های SCADA و DCS شناخته می‌شوند.

Modbus RTU و Modbus TCP همچنان محبوب‌ترین گزینه‌ها برای ارتباط سریال و اترنت صنعتی هستند. در مقابل، IEC 61850 به دلیل ساختار شی‌گرا و قابلیت‌های مدل‌سازی پیشرفته، انتخابی ایده‌آل برای اتوماسیون پست‌های برق به‌شمار می‌رود. همچنین، پروتکل DNP3 با قابلیت استفاده در بسترهای TCP/IP و RS-485، در پروژه‌های آب و انرژی الکتریکی بسیار کاربردی است.

پروتکل‌های جدیدتر مانند EtherNet/IP و DeviceNet که بر اساس پشته پروتکل CIP طراحی شده‌اند، امکان یکپارچه‌سازی بهتر تجهیزات مختلف در بستر IIoT (اینترنت صنعتی اشیا) را فراهم می‌کنند. این پروتکل‌ها از انتقال داده‌های بلادرنگ، تنظیمات Remote، و مدیریت دقیق خطا پشتیبانی می‌کنند.

در پروژه‌های امروزی، معیارهایی همچون امنیت سایبری صنعتی، قابلیت اطمینان ارتباطات (reliability)، سازگاری با تجهیزات مختلف (interoperability) و قابلیت گسترش شبکه (scalability)، در انتخاب پروتکل مناسب بسیار تعیین‌کننده‌اند.

در این بخش مروری اجمالی بر پروتکلهای اسکادا خواهیم داشت.

MODBUS 

در اواخر دهه 1970شرکت مودیکن، پروتکل ارتباط سریال مودباس را توسعه داد. مودباس در لایه 7 (لایه کاربردی مدل OSI) قرار دارد و از ارتباطات سرویس­گیرنده سرور بین PLC ها و سایر دستگاه­های شبکه پشتیبانی می­کند.

پروتکل مودباس روش­هایی را برای دسترسی یک PLC به PLC دیگر، پاسخگویی PLC به دستگاه­های دیگر و ابزارهایی برای شناسایی و گزارش خطاها امکان پذیر می نماید. مودباس راه­اندازی و نگهداری ساده­ای دارد و در کاربردهای متنوع مبتنی بر Master-Slave استفاده می­شود.

همچنین می­تواند داده­های خام را بدون اعمال محدودیت­های زیاد بر تجهیزات ارسال کند. این پروتکل از پروتکل­های دیگری مانند انتقال ناهمزمان Master-Slave، Modicon MODBUS Plus و اترنت پشتیبانی مینماید. شکل زیر لایه ارتباطی پروتکل مدباس را نشان می دهد

یک تراکنش معمولی مدباس شامل مراحل زیر است:

1. پروتکل مودباس فرمت درخواستی آغاز شده توسط مشتری را تنظیم می­کند.
2. یک تابع در یک واحد داده، که بسته پیام نامیده می‌شود، سرور را برای اجرای عملی خاص هدایت می‌کند.
3. یک فیلد داده در پیام، اطلاعات اضافی به منظور انجام عمل درخواستی به سرور ارائه می­دهد.
4. اگر هیچ خطایی در تبادل اطلاعات وجود نداشته باشد، سرور اقدام درخواستی را انجام می­دهد و معمولاً داده­ها را به مشتری ارسال می­کند.
5. اگر خطایی رخ دهد سرور یک کد استثنا را در واحد داده می­خواند تا اقدام لازم بعدی را تعیین کند.

DNP3

یک پروتکل اسکادا باز است که برای ارتباط سریال یا IP بین دستگاه­های کنترلی استفاده می­شود. این پروتکل به طور گسترده­ای توسط شرکت­های آب و تامین­کنندگان برق برای تبادل داده­ها و دستورالعمل­های کنترل بین ایستگاه­های کنترل اصلی و کامپیوترهای راه­دور (یا کنترل­کننده­هایی به نام ایستگاه­های خروجی) استفاده می‌شود.

به طور خاصDNP3، برای تسهیل ارتباطات بین انواع مختلفی از جمع­ آوری داده ­ها و تجهیزات کنترلی توسعه یافته است و نقش مهمی را در سیستم­های اسکادا ایفا می‌کند، که توسط ایستگاه‌های اصلی اسکادا، RTU ها و دستگاه‌های هوشمند الکترونیکی استفاده می‌شود. رابط پروتکل DNP3 پیام‌های حامل DNP3 را فقط بر روی بستر‌های استاندارد RS232/422، RS485  و TCP/IP پشتیبانی می‌کند.

دستورهای معمولی صادر شده توسط ایستگاه کنترل اصلی عبارتند از “باز کردن سوپاپ”، “استارت یک موتور” و “اطلاعات مربوط به یک ایستگاه کنترل خاص”. ایستگاه کنترل اصلی ممکن است سیگنال­های خروجی آنالوگ را به ایستگاه خروجی منتقل کند.

یک ایستگاه  خروجی، اطلاعاتی مانند فشار، وضعیت قطع­ کننده مدار و سیگنال­های آنالوگ (که اطلاعاتی نظیر دما یا برق را نشان می­دهد) و فایل­های اطلاعاتی را در اختیار ایستگاه کنترل اصلی قرار می­دهد.

پروتکلDNP3  همچنین با بهره­مندی از TCP/IP برای تبادل پیام‌ها با فناوری‌های اینترنتی سازگار شده است. معماری لایه TCP/IP DNP3 که تبادل داده بین ایستگاه کنترل اصلی و ایستگاه خروجی را نشان می­دهد در شکل زیر آمده است.

 استانداردهای UCA 2.0 و IEC61850

در اوایل دهه 1990 موسسه تحقیقات انرژی الکتریکی EPRI تصمیم گرفت استانداردی قوی‌تر از DNP3 برای پاسخگویی به نیازهای اسکادا (که در تاسیسات برق مورد نیاز است) تعریف کند. UCA نسخه 2.0 خانواده­ای از پروتکل­های ارتباطی است که با هدف رفع نیازهای خدمات برقی و بر اساس مشخصات پیام تولیدی MMS از استانداردهای ISO 2000-9506:1 و ISO 2000-9506:2 توسعه یافته است.

در سال 1999، UCA 2.0 برای اتوماسیون پست به استاندارد IEC 61850  مهاجرت کرد. این استاندارد بخشی از یک مدل اطلاعات مشترک CIM است که توسط کمیته فنی IEC57 ایجاد شده است. همچنین شامل استانداردهای زیر است:

• IEC61970: سیستم­های قدرت و رابط­ه ای برنامه ­نویسی برای یکپارچه­سازی برنامه­های کاربردی
• IEC61968: تجهیزات و فرآیندهای توزیع
• IEC60870-5: توزيع
• IEC60870-6: انتقال

IEC61850 یک استاندارد معماری لایه ای است که عملکرد مورد نیاز برای برنامه­های کاربردی برق را از وظایف شبکه­های سطح پایین جدا می­کند.

شبکه ناحیه کنترلی (CAN)

پروتکل‌های شبکه ناحیه کنترلی CAN (استاندارد ISO 11898-1) توسط رابرت بوش در اواسط دهه 1980 برای استفاده در ارتباطات سریال تا سرعت 1 مگابیت بر ثانیه در صنعت خودرو توسعه یافت.

CAN از 110 گره در یک شبکه دو سیمه نیمه دوبلکس پشتیبانی می‌کند. پروتکل‌ها در لایه )لایه فیزیکی( و لایه 2 )لایه پیوند داده(، مطابق با مدل OSI کار می‌کنند.

ارتباطات CAN برپایه روش اترنت، روش دسترسی چندگانه با قابلیت شنود سیگنال حامل و پیشگیری از تصادم (CSMA/CD) است. CSMA/CD بودن یعنی چندین دستگاه برای انتقال اطلاعات از طریق یک باس مشترک با یکدیگر رقابت کنند.

هنگامی که یک دستگاه احساس می­کند که باس آزاد است (سیگنال حامل در باس وجود ندارد)، سعی می­کند داده را از طریق باس مشترک ارسال کند. در صورتی که دستگاه دیگری سعی کند هم­زمان از طریق باس مشترك با دستگاه دیگری ارتباط برقرار کند، دستگاه­ها این برخورد را تشخیص داده و عقب‌نشینی می­کنند و بعداً در یک زمان تصادفی دوباره امتحان می­کنند.

بنابراین با این رویکرد زمان­های انتقال خاص در سراسر شبکه را نمی­توان تضمین نمود. برای جبران این وضعیت CAN با استفاده از طرح CSMA/CD + AMP (داوری و حکمیت در اولویت پیام) اولویت­های انتقال را به گره­ها ارائه می­کند. CSMA/CD + AMP از یک شناسه منحصربه‌فرد استفاده می‌کند که به جای آدرس‌های گره مبدا و مقصد (همان­طور که در روش داوری مرسوم CSMA/CD استفاده مي‌نمايد) ، رتبه‌بندی اولویت در پیام را تنظیم می‌کند. هرچه مقدار شناسه کمتر باشد، اولویت بیشتری به پیام اختصاص داده می­شود. طول این شناسه متفاوت و 11 بیت است.

الگوریتم انتقال CAN شامل مراحل زیر است:

1. به پیامی با بالاترین شناسه اولویت اجازه برای ارسال داده می­شود.
2. شناسه منحصربه فرد پیام توسط گره­ی در مسیر بررسی مي گردد تا تعیین شود که آیا پیام به آن گره ارسال می­شود یا خیر.
3. اگر پیامی به آن گره تعلق داشته باشد، گره پیام را پردازش می­کند. پیام‌هایی که دارای شناسه با اولویت پایین‌ترهستند، پس از پیام‌هایی با اولویت بالاتر بر اساس مقادیر شناسه‌شان ارسال می‌شوند.

پروتکل کنترل و اطلاعات (CIP)

پروتکل صنعتی مشترک (CIP) یک خانواده از پروتکل‌های باز است که در لایه‌های کاربردی مدل OSI پیاده‌سازی می‌شود. بنابراین CIP یک پروتکل سطح بالای مشترک از پروتکل‌ها را تشکیل می‌دهد که می‌تواند در بالای لایه‌های مختلف استفاده شود، مانند لایه‌هایی که از EtherNet/IP، DeviceNet و ControlNet استفاده می‌کنند. این پروتکل شامل یک پروتکل پیام­رسانی است که از پیام­های صریح و I/O پشتیبانی می­کند. CIP توسط CI و ODVA نگهداری می­شود.

ارزش CIP این است که آبجكت‌ها و اشیاء از پیش تعریف شده و استانداردهای ارتباطی را در دسترس لایه­های پایین مدل OSI قرار می­دهد. CIP شامل اشیاء ارتباطی است که برای تعریف حداکثر مقادیر داده، نوع، ویژگی­ها و زمان‌بندی اتصال استفاده می­شود. همچنین کتابخانه­ای شامل اشیاء نظارتی کنترل، اشیاء پورت، اشیاء هویت، اشیاء نقطه خروجی آنالوگ، اشیاء پارامتر، اشیاء ورودی گسسته، اشیاء حسگر موقعیت و اشیاء درایو AC/DC را دارا است. در شکل زیر روابط بین CIP و سایر پروتکل­ها نشان داده شده است.

Device Net

یک استاندارد باز که برای اتصال تجهیزاتی مانند استارت موتور، حسگرها، کنترل‌های سوپاپ، نمایشگرها، رابط‌های اپراتور و رایانه‌های کنترل سطح بالاتر و PLC استفاده می‌شود. مبنای DeviceNet بر اساس پروتکل‌های CAN است. همچنین از خانواده پروتکل‌های CIP شامل کتابخانه‌ها و پروفایل‌های آبجكت (شیء)، برای پیکربندی و کنترل تجهیزات و برای به‌دست آوردن داده‌ها از دستگاه‌های محلی از طریق پروتکل‌های CAN در لایه پیوند داده و لایه فیزیکی استفاده می‌کند.

برای انجام یک تبادل اطلاعات مانند DeviceNet، یک نمونه اتصال شامل آبجكت هویت، آبجكت مسیریاب پیام، آبجكت DeviceNet و آبجكت اتصال ایجاد می­کند. آبجكت هویت حاوی اطلاعاتی مانند نمایه دستگاه، شماره ویرایش و اطلاعات ارسال­کننده است. آبجكت مسیریاب پیام­ها را به مقصد مناسب هدایت می­کند و آبجكت DeviceNet اطلاعات لایه پایین­تر مانند شماره شناسایی MAC را ذخیره می­کند. اتصال ارتباط پیام­رسانی را مدیریت می­کند. DeviceNet از نرخ­های ارتباطی 125kbps، 250kbps و 500kbps برای حداکثر 64 گره پشتیبانی می­کند. در شکل زیر لایه­های ارتباطی در DeviceNet نشان داده شده است.

نتیجه‌گیری: انتخاب هوشمندانه پروتکل‌های اسکادا

با توجه به تنوع پروتکل‌های اسکادا، انتخاب بهترین گزینه به عوامل مختلفی نظیر نوع صنعت، سطح اتوماسیون، نیاز به ارتباط بلادرنگ، امنیت داده‌ها و سازگاری تجهیزات بستگی دارد.

• Modbus به دلیل سادگی و سازگاری گسترده، همچنان گزینه‌ای محبوب در پروژه‌های کوچک و متوسط است.

• DNP3 انتخابی مناسب برای سیستم‌های با نیاز به قابلیت اطمینان بالا و ارتباط در فواصل دور است.

• IEC 61850 استاندارد پیشرفته‌ای برای اتوماسیون پست‌های برق با ساختار شی‌گرا و انعطاف‌پذیر است.

• CIP و DeviceNet در سیستم‌های مدرن و شبکه‌های مبتنی بر EtherNet/IP عملکرد مناسبی دارند.

• در پروژه‌هایی با گسترش‌پذیری بالا و نیاز به ارتباطات صنعتی بلادرنگ، انتخاب پروتکل باید با دقت و بر اساس ساختار شبکه صورت گیرد.

در نهایت، شناخت تفاوت‌ها و مزایای هر پروتکل به مهندسین کنترل، اتوماسیون و طراحان اسکادا کمک می‌کند تا تصمیمی آگاهانه بگیرند.

سوالات متداول

1. تفاوت بین Modbus RTU و Modbus TCP چیست؟

پاسخ:
Modbus RTU برای ارتباط سریال (مانند RS-485) استفاده می‌شود، در حالی که Modbus TCP نسخه‌ای از همین پروتکل است که از بستر شبکه اترنت (TCP/IP) بهره می‌برد. Modbus RTU برای فاصله‌های کوتاه و محیط‌های صنعتی مقاوم مناسب است، در حالی که Modbus TCP برای شبکه‌های گسترده‌تر و انعطاف‌پذیرتر استفاده می‌شود.

 2. DNP3 در چه صنایعی استفاده می‌شود؟

پاسخ:
DNP3 بیشتر در صنایع توزیع برق، آب و فاضلاب و زیرساخت‌های حساس برای انتقال داده‌های دقیق و قابلیت اطمینان بالا بین RTUها، IEDها و ایستگاه‌های کنترل مرکزی استفاده می‌شود.

 3. آیا IEC 61850 فقط مخصوص اتوماسیون برق است؟

پاسخ:
بله، IEC 61850 استانداردی تخصصی برای اتوماسیون پست‌های برق و مدیریت تجهیزات الکتریکی با ساختار شی‌گرا است. این پروتکل برای هماهنگی سریع، پیکربندی آسان و یکپارچگی بین تجهیزات طراحی شده است.

 4. CIP و DeviceNet چه تفاوتی دارند؟

پاسخ:
CIP یک پروتکل لایه کاربردی باز است که روی چندین بستر شبکه مانند DeviceNet و EtherNet/IP پیاده‌سازی می‌شود. DeviceNet از CAN bus برای لایه فیزیکی استفاده می‌کند و مناسب تجهیزات محلی و شبکه‌های کوچک است، در حالی که EtherNet/IP مناسب ارتباطات صنعتی سریع‌تر و گسترده‌تر است.

 5. چرا انتخاب درست پروتکل‌های اسکادا مهم است؟

پاسخ:
انتخاب صحیح پروتکل باعث کاهش تاخیر در تبادل اطلاعات، افزایش امنیت ارتباطات صنعتی، هماهنگی بهتر بین تجهیزات و قابلیت گسترش‌پذیری سیستم اسکادا خواهد شد. هر پروتکل نقاط قوت و محدودیت‌های خاص خود را دارد که باید مطابق با پروژه انتخاب شود.