ناقل البيانات الميداني

يمكن القول أن تقنية ناقل المجال السابقة هي HP-IB كما هو موضح في IEEE 488 ^{[ 3 ]} في عام 1975. "أصبحت تُعرف باسم ناقل واجهة الأغراض العامة (GPIB)، وأصبحت معيارًا فعليًا للتحكم الآلي والصناعي في الأجهزة".

يُستخدم ناقل البيانات العام (GPIB) بشكل أساسي في القياسات الآلية باستخدام أجهزة من مختلف الشركات المصنعة. وهو عبارة عن ناقل متوازي مزود بكابل وموصل يحتوي على 24 سلكًا، ويقتصر طول الكابل فيه على 20 مترًا كحد أقصى.

تُعدّ تقنية ناقل البيانات الميداني Bitbus أقدم تقنيات ناقل البيانات الميداني الشائعة الاستخدام. طوّرتها شركة إنتل لتعزيز استخدام أنظمة Multibus في الأنظمة الصناعية، وذلك بفصل وظائف الإدخال/الإخراج البطيئة عن الوصول السريع إلى الذاكرة. في عام 1983، ابتكرت إنتل وحدة التحكم الدقيقة 8044 Bitbus بإضافة برنامج ناقل البيانات الميداني إلى وحدة التحكم الدقيقة 8051 الموجودة لديها . تستخدم Bitbus معيار EIA-485 في الطبقة الفيزيائية ، مع زوجين ملتويين - أحدهما للبيانات والآخر للتوقيت والإشارات. يسمح استخدام SDLC في طبقة ربط البيانات بوجود 250 عقدة على مقطع واحد بمسافة إجمالية تبلغ 13.2  كم. تحتوي Bitbus على عقدة رئيسية واحدة وعدة عقد تابعة، حيث تستجيب العقد التابعة فقط لطلبات العقدة الرئيسية. لا تُحدد Bitbus التوجيه في طبقة الشبكة . تسمح وحدة التحكم 8044 بحزمة بيانات صغيرة نسبيًا (13 بايت)، ولكنها تتضمن مجموعة فعّالة من مهام RAC (الوصول والتحكم عن بُعد) وإمكانية تطوير مهام RAC مخصصة. في عام 1990، اعتمد معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) ناقل Bitbus كناقل تحكم تسلسلي لنظام المتحكمات الدقيقة (IEEE-1118). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

تتولى مجموعة مستخدمي BITBUS الأوروبية (BEUG) صيانة BITBUS اليوم. ^{[ 6 ]}

كان بروتوكول أتمتة التصنيع (MAP) تطبيقًا لبروتوكولات متوافقة مع نموذج OSI في تكنولوجيا الأتمتة، وقد أطلقته شركة جنرال موتورز عام 1984. أصبح MAP اقتراحًا لتوحيد معايير الشبكات المحلية (LAN) بدعم من العديد من الشركات المصنعة، واستُخدم بشكل رئيسي في أتمتة المصانع. استخدم MAP  ناقل IEEE 802.4 الرمزي بسرعة 10 ميجابت/ثانية كوسيط نقل.

نظراً لنطاقها وتعقيدها، لم تحقق MAP اختراقاً كبيراً. ولتقليل هذا التعقيد وتحقيق معالجة أسرع بموارد أقل، طُوّرت بنية الأداء المحسّنة (EPA) MAP في عام 1988. تحتوي هذه الخريطة المصغّرة ^{[ 7 ]} على المستويات 1 و2 و7 فقط من نموذج الربط البيني للأنظمة المفتوحة (OSI) المرجعي الأساسي. وقد استُخدم هذا الاختصار في تعريفات ناقل البيانات الميداني اللاحقة.

إن أهم إنجازات MAP هو مواصفات رسائل التصنيع (MMS)، وهي طبقة التطبيق الخاصة بـ MAP.

مواصفات رسائل التصنيع ( MMS) هي معيار دولي ISO 9506 ^{[ 8 ]} يتعامل مع بروتوكول التطبيق والخدمات لنقل بيانات العمليات في الوقت الحقيقي ومعلومات التحكم الإشرافي بين الأجهزة المتصلة بالشبكة أو تطبيقات الكمبيوتر التي تم نشرها كإصدار أول في عام 1986.

لقد شكّل هذا النموذج أساسًا للعديد من التطورات اللاحقة في معايير الاتصالات الصناعية الأخرى، مثل FMS لبروتوكول Profibus أو SDO لبروتوكول CANopen . ولا يزال يُستخدم كطبقة تطبيقية محتملة، على سبيل المثال في أتمتة مرافق الطاقة وفقًا لمعايير IEC 61850 .

في عام 1979، قامت شركة موديكون (التي تُعرف الآن باسم شنايدر إلكتريك ) بتعريف ناقل تسلسلي لربط وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) الخاصة بها، وأطلقت عليه اسم مودبوس . في نسخته الأولى، استخدم مودبوس كابلًا ثنائي الأسلاك مع إشارات EIA 485 UART . يتميز البروتوكول ببساطته، حيث يعتمد على نظام رئيسي/تابع، ويقتصر عدد أنواع البيانات على تلك التي تدعمها وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة في ذلك الوقت. ومع ذلك، لا يزال مودبوس (بنسخته Modbus-TCP) أحد أكثر الشبكات الصناعية استخدامًا، وخاصة في مجال أتمتة المباني.

في عام 1987، حدد مشروع بحثي، بدعم مالي من الحكومة الألمانية، ناقل البيانات الميداني PROFIBUS استنادًا إلى مواصفات رسائل ناقل البيانات الميداني (FMS). ^{[ 9 ]} إلا أنه في التطبيقات العملية، تبيّن أنه معقد للغاية في الميدان. وفي عام 1994، اقترحت شركة سيمنز طبقة تطبيقات مُعدّلة باسم Decentralized Periphery (DP)، والتي لاقت قبولًا واسعًا في قطاع الصناعات التحويلية. وبحلول عام 2016، أصبح Profibus أحد أكثر نواقل البيانات الميدانية استخدامًا في العالم ^{[ 10 ]} ، ووصل عدد العقد المُثبّتة فيه إلى 60 مليون عقدة في عام 2018. ^{[ 11 ]}

في عام 1987، طورت شركة Phoenix Contact ناقلًا تسلسليًا لربط المدخلات والمخرجات الموزعة مكانيًا بوحدة تحكم مركزية. ^{[ 12 ]} ترسل وحدة التحكم إطارًا واحدًا عبر حلقة مادية، يحتوي على جميع بيانات الإدخال والإخراج. يتكون الكابل من 5 أسلاك: بالإضافة إلى إشارة التأريض، سلكان للإطار الصادر وسلكان للإطار العائد. يتيح هذا الكابل إمكانية إنشاء النظام بأكمله على شكل شجرة . ^{[ 13 ]}

حققت شبكة إنتربوس نجاحًا باهرًا في قطاع التصنيع، حيث تم تركيب أكثر من 22.9 مليون جهاز ميداني. وقد انضمت إنتربوس إلى تقنية بروفينت لشبكة بروفينت الميدانية القائمة على الإيثرنت، وتتولى الآن منظمة بروفينت لمستخدمي إنتربوس (Profibus Nutzerorganisation eV) صيانة شبكة إنتربوس ^{[ 14 ].}

خلال ثمانينيات القرن الماضي، ولحل مشكلات الاتصال بين أنظمة التحكم المختلفة في السيارات، طورت شركة روبرت بوش الألمانية شبكة منطقة التحكم (CAN). تقوم فكرة CAN على إمكانية توصيل كل جهاز بمجموعة واحدة من الأسلاك، بحيث يمكن لكل جهاز متصل تبادل البيانات بحرية مع أي جهاز آخر. وسرعان ما انتشرت CAN في سوق أتمتة المصانع (إلى جانب العديد من التقنيات الأخرى).

طُوِّرت DeviceNet بواسطة شركة Allen-Bradley الأمريكية (التي تملكها الآن Rockwell Automation ) وجمعية ODVA (رابطة موردي DeviceNet المفتوحة) كمعيار ناقل بيانات مفتوح يعتمد على بروتوكول CAN. وقد تم توحيد DeviceNet في المعيار الأوروبي EN 50325-2. وتتولى ODVA مسؤولية تحديد وصيانة معيار DeviceNet. وكما هو الحال مع ControlNet وEtherNet/IP، تنتمي DeviceNet إلى عائلة الشبكات القائمة على بروتوكول CIP. ويُشكّل بروتوكول CIP ( البروتوكول الصناعي المشترك ) طبقة التطبيقات المشتركة لهذه الشبكات الصناعية الثلاث. وبالتالي، تتميز DeviceNet وControlNet وEthernet/IP بتنسيقها الجيد، مما يوفر للمستخدم نظام اتصالات متدرجًا لمستوى الإدارة (EtherNet/IP)، ومستوى الخلية (ControlNet)، ومستوى الحقل (DeviceNet). وتُعد DeviceNet نظام ناقل بيانات كائني التوجه، وتعمل وفقًا لأسلوب المُنتِج/المُستهلِك. ويمكن أن تكون أجهزة DeviceNet عميلًا (رئيسيًا) أو خادمًا (تابعًا) أو كليهما. ويمكن أن يكون العملاء والخوادم مُنتِجين أو مُستهلِكين أو كليهما.

تم تطوير CANopen بواسطة CiA ( CAN في الأتمتة )، وهي جمعية المستخدمين والمصنعين لـ CANopen، وتم توحيدها كمعيار أوروبي EN 50325-4 منذ نهاية عام 2002. يستخدم CANopen الطبقتين 1 و2 من معيار CAN (ISO 11898-2) والامتدادات فيما يتعلق بتعيين الدبابيس ومعدلات الإرسال وطبقة التطبيق.

يستند معيار FIP إلى مبادرة فرنسية أُطلقت عام 1982 لإجراء تحليل متطلبات لمعيار ناقل بيانات ميداني مستقبلي. وقد أفضت هذه الدراسة إلى مبادرة يوريكا الأوروبية لمعيار ناقل البيانات الميداني في يونيو 1986 ، والتي ضمت 13 شريكًا. وقام فريق التطوير (الشبكات الصناعية المحلية) بوضع أول مقترح ليتم توحيده في فرنسا. وكان اسم ناقل بيانات FIP في الأصل اختصارًا للعبارة الفرنسية "Flux d'Information vers le Processus"، ثم أصبح لاحقًا يُشار إليه بالاسم الإنجليزي "Factory Instrumentation Protocol" (بروتوكول أجهزة المصنع).

تراجعت مكانة بروتوكول FIP لصالح بروتوكول Profibus الذي هيمن على السوق الأوروبية في العقد التالي، ولم يصدر أي بيان صحفي عن موقع WorldFIP الإلكتروني منذ عام 2002. ويُعدّ Wire Train Bus المستخدم في عربات القطارات أقرب بروتوكول لعائلة FIP. مع ذلك، يُستخدم جزءٌ مُحدد من WorldFIP، يُعرف ببروتوكول FIPIO، على نطاق واسع في مكونات الآلات.

طُوِّرت تقنية Foundation Fieldbus على مدى سنوات عديدة من قِبَل الجمعية الدولية للأتمتة (ISA) تحت اسم SP50. وتتمتع هذه التقنية اليوم بقاعدة مستخدمين متنامية في العديد من تطبيقات العمليات الثقيلة مثل التكرير والبتروكيماويات وتوليد الطاقة، وحتى في صناعات الأغذية والمشروبات والأدوية والتطبيقات النووية. ^{[ 16 ]}

اعتبارًا من 1 يناير 2015، أصبحت مؤسسة Fieldbus جزءًا من مجموعة FieldComm الجديدة. ^{[ 17 ]}

يُستخدم بروتوكول Profibus PA (أتمتة العمليات) للتواصل بين أجهزة القياس وأجهزة المعالجة، والمشغلات، وأنظمة التحكم في العمليات ( PLC / DCS) في هندسة العمليات. يُعد Profibus PA إصدارًا من Profibus مزودًا بطبقة فيزيائية مناسبة لأتمتة العمليات، حيث يمكن توصيل عدة قطاعات (قطاعات PA) مزودة بأجهزة ميدانية ببروتوكول Profibus DP عبر ما يُسمى بالموصلات. يتولى كابل ناقل البيانات ثنائي الأسلاك لهذه القطاعات ليس فقط الاتصال، بل أيضًا تزويد الأجهزة بالطاقة ( تقنية نقل MBP ). ومن الميزات الخاصة الأخرى لبروتوكول Profibus PA ملف تعريف الجهاز "أجهزة PA" (ملف تعريف PA) واسع الانتشار، ^{[ 18 ]} والذي يُوحّد أهم وظائف الأجهزة الميدانية بين مختلف الشركات المصنعة.

يعود تاريخ شبكة LonWorks إلى ثمانينيات القرن الماضي، وهي، على عكس الشبكات الأخرى، ثمرة جهود علماء الحاسوب في شركة Echelon . في عام ١٩٩٩، قُدِّم بروتوكول الاتصالات (الذي كان يُعرف آنذاك باسم LonTalk) إلى المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) وتم اعتماده كمعيار لشبكات التحكم (ANSI/CEA-709.1-B)، وفي عام ٢٠٠٥ أصبح المعيار الأوروبي لأتمتة المباني EN 14908. كما يُعدّ هذا البروتوكول أحد طبقات ربط البيانات/الطبقة الفيزيائية لمعيار BACnet ASHRAE/ANSI لأتمتة المباني.

طُوّر معيار BACnet في البداية، وتتولى صيانته حاليًا الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء ( ASHRAE ) منذ عام 1987. ويُعدّ BACnet معيارًا وطنيًا أمريكيًا ( ANSI ) 135 منذ عام 1995، ومعيارًا أوروبيًا، ومعيارًا وطنيًا في العديد من البلدان، ومعيارًا عالميًا ISO 16484 منذ عام 2003. ^{[ 20 ]} وفي عام 2017، بلغت حصة BACnet السوقية 60% في سوق أتمتة المباني. ^{[ 21 ]}

تُدرج المواصفة القياسية IEC 61784 الجزء 1 ^{[ 25 ]} ، والمعروفة باسم " مجموعات الملفات التعريفية للتصنيع المستمر والمنفصل فيما يتعلق باستخدام ناقل المجال في أنظمة التحكم الصناعية"، جميع نواقل المجال التي اقترحتها هيئات التقييس الوطنية. في الطبعة الأولى عام 2003، تم تقديم 7 عائلات مختلفة من ملفات تعريف الاتصال (CPF).

• CPF 1 FOUNDATION Fieldbus
• شبكة التحكم CPF 2
• CPF 3 PROFIBUS
• CPF 4 P-NET
• CPF 5 WorldFIP
• CPF 6 إنترباص
• CPF 7 SwiftNet

تم تضمين بروتوكول Swiftnet، المستخدم على نطاق واسع في صناعة الطائرات (بوينغ)، في الإصدار الأول من المعيار. لكن تبين لاحقًا أن هذا خطأ، وفي الإصدار الثاني عام 2007، تم حذف هذا البروتوكول من المعيار. في الوقت نفسه، أُضيفت بروتوكولات CPF 8 CC-Link وCPF 9 HART وCPF 16 SERCOS . وفي الإصدار الرابع عام 2014، أُضيف آخر بروتوكول ناقل بيانات ميداني، وهو CPF 19 MECHATROLINK . أما الإصدار الخامس عام 2019، فكان مجرد مراجعة للصيانة دون إضافة أي ملفات تعريف جديدة.

انظر قائمة بروتوكولات التشغيل الآلي لشبكات الاتصال الميدانية غير المدرجة في هذا المعيار.

في الإصدار الثاني من ملف تعريف ناقل المجال، تم تضمين أولى الملفات التعريفية القائمة على الإيثرنت كطبقة مادية. ^{[ 26 ]} تم تجميع جميع بروتوكولات الإيثرنت في الوقت الحقيقي (RTE) المطورة حديثًا في الجزء الثاني من معيار IEC 61784 ^{[ 27 ]} كملفات تعريفية إضافية لشبكات الاتصال القائمة على معيار ISO/IEC 8802 3 في تطبيقات الوقت الحقيقي . نجد هنا حلول Ethernet/IP ، وثلاثة إصدارات من PROFINET IO - الفئات A وB وC - وحلول P-NET، ^{[ 28 ]} و Vnet/IP، ^{[ 29 ]} وTCnet، ^{[ 30 ]} وEtherCAT ، وEthernet POWERLINK ، وEthernet لأتمتة المصانع (EPA)، بالإضافة إلى MODBUS مع بروتوكول النشر والاشتراك في الوقت الحقيقي الجديد MODBUS-RTPS وملف التعريف القديم MODBUS-TCP.

يُعدّ حلّ SERCOS مثيرًا للاهتمام في هذا السياق. كانت هذه الشبكة ، المُستخدمة في مجال التحكم بالمحاور، تمتلك معيارها الخاص IEC 61491. ^{[ 31 ]} مع طرح حلّ SERCOS III القائم على الإيثرنت ، تمّ فصل هذا المعيار، ودمج جزء الاتصال في معيار IEC 61158/61784. أما جزء التطبيق، فقد دُمج مع حلول محركات أخرى في معيار خاص للمحركات هو IEC 61800-7.

لذا فإن قائمة هيئة الإذاعة والتلفزيون الأيرلندية (RTE) للطبعة الأولى في عام 2007 طويلة بالفعل:

• CPF 2 CIP
• CPF 3 PROFIBUS & PROFINET
• CPF 4 P-NET ^{[ 28 ]}
• CPF 6 إنترباص
• CPF 10 Vnet/IP ^{[ 29 ]}
• CPF 11 TCnet ^{[ 30 ]}
• CPF 12 EtherCAT
• وصلة طاقة إيثرنت CPF 13
• CPF 14 إيثرنت لأتمتة المصانع (EPA)
• CPF 15 MODBUS
• CPF 16 SERCOS

2010:

• CPF 17 RAPIEnet
• CPF 18 SafetyNET ص

2019:

• CPF 19 FL-net
• شبكة CPF 20 ADS

2023:

• CPF 21 أوبوس

في عام 2010، نُشرت طبعة ثانية لتشمل CPF 17 RAPIEnet وCPF 18 SafetyNET . وفي الطبعة الثالثة (2014)، أُضيفت نسخة إيثرنت الصناعية (IE) من CC-Link . وفي الطبعة الرابعة عام 2019، أُضيفت عائلتا الملفات التعريفية CPF 20 ADS-net ^{[ 32 ]} وCPF 19 FL-net ^{[ 33 ] .}

للحصول على تفاصيل حول هذه التقنيات في الوقت الحقيقي، راجع المقالة المتعلقة بشبكة إيثرنت الصناعية .

لضمان السلامة الوظيفية ، طورت اتحادات مختلفة بروتوكولات متنوعة لتطبيقات السلامة حتى مستوى سلامة التكامل 3 (SIL) وفقًا لمعيار IEC 61508 أو مستوى الأداء "e" (PL) وفقًا لمعيار ISO 13849. وتشترك معظم هذه الحلول في اعتمادها على قناة سوداء ، مما يسمح بنقلها عبر ناقلات وشبكات ميدانية مختلفة. وبحسب نوع البروتوكول، يوفر بروتوكول السلامة إجراءات مثل العدادات، ورموز التحقق الدوري (CRC) ، والصدى، والمهلة الزمنية، ومعرفات فريدة للمرسل والمستقبل، والتحقق المتبادل.

تتضمن الطبعة الأولى الصادرة في عام 2007 من IEC 61784 الجزء 3، ^{[ 34 ]} بعنوان شبكات الاتصالات الصناعية - الملفات الشخصية - ناقلات السلامة الوظيفية عائلات ملفات تعريف الاتصالات (CPF):

• CPF 1 FOUNDATION Fieldbus ^{[ 35 ]}
• CPF 2 CIP مع نظام أمان CIP
• CPF 3 PROFIBUS & PROFINET مع PROFIsafe
• CPF 6 إنترباص

تستخدم شركة SERCOS بروتوكول السلامة CIP أيضًا. ^{[ 36 ]} في الطبعة الثانية الصادرة عام 2010، أُضيفت عناصر CPF إضافية إلى المعيار:

• CPF 8 CC-Link
• CPF 12 EtherCAT مع الأمان عبر EtherCAT
• CPF 13 Ethernet POWERLINK مع openSAFETY
• CPF 14 EPA

في الطبعة الثالثة عام 2016، أُضيف ملف تعريف السلامة الأخير CPF 17 SafetyNET p . ومن المتوقع نشر الطبعة الرابعة الجديدة عام 2021. يحتوي المعيار الآن على 9 ملفات تعريف سلامة مختلفة، وهي جميعها مُدرجة ومُشار إليها في جدول الامتثال العالمي في القسم التالي.

تُسمى عائلات البروتوكولات لكل علامة تجارية "عائلة ملف تعريف الاتصال" ويُرمز لها اختصارًا بـ CPF متبوعًا برقم. يمكن لكل عائلة بروتوكولات الآن تحديد ناقلات البيانات الميدانية، وحلول إيثرنت في الوقت الحقيقي، وقواعد التثبيت، وبروتوكولات السلامة الوظيفية. تم تحديد عائلات ملفات التعريف الممكنة هذه في معيار IEC 61784، وهي مُجمّعة في الجدول التالي.

As an example, we will search for the standards for PROFIBUS-DP. This belongs to the CPF 3 family and has the profile CP 3/1. In Table 5 we find that its protocol scope is defined in IEC 61784 Part 1. It uses protocol type 3, so the documents IEC 61158-3-3, 61158-4-3, 61158-5-3 and 61158-6-3 are required for the protocol definitions. The physical interface is defined in the common 61158-2 under type 3. The installation regulations can be found in IEC 61784-5-3 in Appendix A. It can be combined with the FSCP3/1 as PROFIsafe, which is defined in the IEC 61784-3-3 standard.

To avoid the manufacturer having to list all these standards explicitly, the reference to the profile is specified in the standard. In the case of our example for the PROFIBUS-DP, the specification of the relevant standards would therefore have to be

Compliance to IEC 61784-1 Ed.3:2019 CPF 3/1