شکل ‏۵‑۸: خروجی سیستم با تاخیر ۱۳ms
همانطور که می بینیم نوسانات پاسخ سیستم زیاد شده و سیستم ناپایدار گردیده است. این ناپایداری به دلیل تاخیر پیش بینی نشده ناشی از شبکه اترنت می باشد. به طوری که هرچه این تاخیر بیشتر گردد مقدار ناپایداری نیز افزایش می‌یابد. حال سوالی که مطرح می شود این است که اگر این تاخیر را از قبل پیش بینی کرده و ضرایب PID را با در نظر گرفتن تاخیر شبکه طراحی نماییم چه اتفاقی خواهد افتاد؟ برای بررسی این مورد کنترلر را مجدداً با حضور تاخیر تنظیم می نماییم و به ضرایب PID زیر می‌رسیم:

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

شکل ‏۵‑۹: پارامترهای PID با در نطر گرفتن تاخیر ۱۳ms
حال سیستم را با ورودی قبلی شبیه سازی می نماییم.

شکل ‏۵‑۱۰: خروجی سیستم با تاخیر ۱۳ms و پایدارسازی مجدد
همانطور که در شکل قبل می‌بینیم، سیستم دارای پایداری قابل قبولی (مجدداً شرایط مرزی) می‌باشد. ولی نکته قابل بحث در این حالت عدم اطمینان به پایداری این سیستم است، چرا که همانطور که گفته شد اساس شبکه اترنت بر پایه دسترسی تصادفی به باس می باشد که این امر منجر به عدم ثابت بودن زمان تاخیر می‌گردد. یعنی چنانچه این تاخیر افزایش یابد امکان ناپایداری مجدد مدل وجود خواهد داشت. برای این منظور تاخیر را به ۲۰ms افزایش داده و مدل را مجددا شبیه سازی شبیه‌سازی نمودیم که سیستم ناپایدار گردید.
همانطور که می بینیم پایداری این سیستم تابع تاخیر می‌باشد. لذا بحث لزوم زمان حقیقی بودن سیستم خودنمایی کرده و ثابت می گردد چنانچه تاخیرات ناشی از شبکه سیستم غیرقابل پیش‌بینی باشد سیستم را نمی‌توان پایدار نمود و یا به بیان دیگر در صورت پایداری، تضمینی جهت باقی ماندن در این حالت (به صورت پایدار) وجود ندارد.
لازم به ذکر است چنانچه از شبکه پروفیباس به جای اترنت استفاده می‌شد، به دلیل ثابت بودن تاخیر امکان پایدارسازی سیستم فراهم می گردید.
مدل سازی با شبکه ترکیبی
حال برای بررسی پروسه‌های دارای چندین شبکه مختلف مدل زیر را ارائه می‌نماییم. دراین مدل مسیر کنترلر تا محرک را پروفیباس یا اترنت زمان حقیقی با تاخیر ۱۳ms (به جهت امکان مقایسه با حالت قبل، تاخیر این شبکه ۱۳ms در نظر گرفته شده است) و مسیر فیدبک را یک شبکه اترنت غیر زمان حقیقی(در واقع با تاخیر متغیر) شبیه‌سازی نموده و با اجرای شبیه‌ساز نتایج را بررسی می‌نماییم.
شکل ‏۵‑۱۱: بلوک دیاگرام مدل شامل شبکه پروفیباس و اترنت
از آنجا که تاخیر شبکه پروفیباس ثابت بوده و مقدار آن را ۱۳ms در نظر گرفته‌ایم، ضرایب PID را مانند حالت قبل در نظر گرفته و با بالا بردن تاخیر شبکه اترنت مرز پایداری را پیدا می‌کنیم. از شبیه‌سازی نتیجه می‌شود که تا مرز ۲۶ms پایداری نسبی برقرار بوده و بعد از آن سیستم ناپایدار می‌گردد که خروجی به ازای این تاخیر به صورت زیر می‌باشد:

شکل ‏۵‑۱۲: خروجی سیستم با تاخیر ۲۶ms در شبکه اترنت
همانطور که در حالت قبل (هر دو شبکه انرنت) دیدیم چنانچه تاخیر شبکه به ۲۰ میلی ثانیه می رسید شبکه ناپایدار می گردید، ولی در این حالت تا ۲۶ میلی ثانیه شبکه بطور کامل ناپایدار نگردیده است که این امر پایداری بیشتر این مدل را می‌رساند.
نتیجه گیری:
همانطور که در بخش قبل نیز گفته شد، استفاده از شبکه های اترنت و پروفیباس دارای مزایا و معایبی می‌باشد که در این بخش سعی شد با شبیه سازی به بررسی آنها بپردازیم. همانطور که دیدیم چنانچه در شبکه مورد استفاده بتوان مقدار دقیق تاخیر را پیش بینی نمود (اترنت زمان حقیقی) می توان با اصلاح ضرایب سیستم به پایداری دست یافت ولی اگر شبکه مانند اترنت معمولی زمان حقیقی نباشد پایدار نمودن آن دشوار و در بعضی مواقع غیرممکن خواهد بود. همچنین ترکیب شبکه های زمان حقیقی مانند پروفیباس و غیر زمان حقیقی مانند اترنت مابین دو حالت قبل قرار داشته و سیستم ترکیبی پایداری بالاتری نسبت به سیستم غیر زمان حقیقی دارد.
فصل ششم
جمع بندی و پیشنهادات
(اترنت و پروفیباس)
جمع بندی و پبشنهادات
جمع بندی
همانطور که در بخش‌های قبلی اشاره شد پیشرفت روز افزون ادوات استفاده شده در صنعت چه از نظر تعداد و چه از نظر کیفیت و تکنولوژی، منجر به افزایش تعداد پارامترهای قابل اندازه گیری، کنترل و مانیتورینگ گردیده است. به عنوان مثال درگذشته از یک سنسور فشار تنها مقدار فشار استخراج می‌شد، ولی امروزه تمامی اطلاعات یک سنسور نظیر سری ساخت و حتی آخرین زمان کالیبراسیون و تعمیر نگهداری قابل استخراج
می باشد که تمامی این عوامل باعث گردیده حجم دیتای مورد تبادل در صنعت به یکباره افزایش چشمگیری یابد. از طرف دیگر با پیشرفت بخش کنترلی صنایع و یکپارچگی سیستم‌های کنترل لزوم انتقال تمامی اطلاعات به یک سیستم مرکزی افزایش یافته و بعضا در مواردی اطلاعات فرآیندی یک پروسه عظیم مانند یک پالایشگاه در یک مرکز جمع آوری می‌گردد. جدای از صنعت گسترش این تکنولوژی‌ها به زندگی شهری نیز باعث گردیده تا حجم بالای اطلاعات از جهات دیگر نیز خود را نشان دهد. (برای مثال حجم بالای دوربین‌های کنترل ترافیک در یک شهر را در نظر بگیرید.)
حال با نگاهی اجمالی به این گسترش حجم اطلاعات به این نتیجه می‌رسیم که باید بسترهای ارتباطی را نیز به همان نسبت گسترش داد تا خلایی از این بابت احساس نگردد. از این رو در این پایان نامه سعی گردید با بررسی شبکه‌های مختلف صنعتی راهکارهایی جهت افزایش سرعت و ضریب اطمینان یک شبکه صنعتی جستجو کرد. همانطور که در فصول قبل گفته شد علاوه بر سرعت یک شبکه در صنعت، به روز بودن اطلاعات یا به عبارتی زمان حقیقی بودن آن از اهمیت بالایی برخوردار است. چرا که اگر این پدیده مطرح نبود شاید سیستم‌های کاملا سنتی نظیر گرفتن فایل پشتیبان^[۶۸]بر روی یک سخت افزار نظیر هارد، فلش، CD و ….و ارسال آن به یک سیستم دیگر به سرعتی بالاتر از تمامی شبکه‌های ساخته شده دست یافت. برای روشن شدن مطلب فرض کنید شما می‌خواهید یک فایل به حجم حدود ۱۰ GB را بین دو اتاق یک ساختمان جابجا نمایید. اگر دیتای زمان حقیقی مدنظر نباشد با بهره گرفتن از یک حافظه جانبی USB3 شما می‌توانید این حجم را در ظرف ۱۰ ثانیه کپی و در ۳۰ ثانیه بین دو اتاق جابجا و در ۱۰ ثانیه به کامپیوتر مقصد انتقال دهید و به سرعت باورنکردنی ۲۰۰ Mb/s 10 Gb/ 50s= دست یابید. چنانچه از سریعترین شبکه‌های رایج نیز استفاده کنید در عمل به این سرعت دست نخواهید یافت. ولی نکته مهم در این انتقال تاخیر ذاتی آن و عدم دستیابی به اطلاعات به صورت زمان حقیقی می‌باشد. آنچه در صنعت و پروسه‌های صنعتی در لایه ی فیلد مهمتر از سرعت می‌باشد، دسترسی به موقع و آنی به اطلاعات می‌باشد. با نگاهی به بخش‌های گذشته مشخص می‌شود که برخی از پروتکل‌ها ماهیتاً و ذاتاً زمان حقیقی هستند. به عنوان مثال اکثر پروتکل‌های مبتنی بر بستر فیزیکی RS-485 دارای این قابلیت می‌باشند که همانطور که دیدیم یک شبکه پروفیباس از این بستر استفاده نموده و با تکیه بر روش Token Pass به مبادله دیتا به صورت Real Time می‌پردازد. این گونه سیستم‌ها در عمل دارای معایب و مزایایی خاص خود بوده که با بررسی دقیق آنها می‌توان به پروتکل مناسب جهت هر پروسه ای دست یافت. از مزایای پروتکل پروفیباس می‌توان به مدیریت تمام شبکه توسط Master موجود در شبکه، سرعت بالای انتقال دیتا (تا ۱۲ Mb/s ( و عدم تداخل دیتا در ارسال‌ها اشاره نمود و از معایب آن به پیکربندی بعضاً پیچیده در اتصال، عدم امکان ارتباط مستقیم بین Slave‌ها و وابستگی شدید به Master یاد کرد.
از سوی دیگر پروتکل‌های مبتنی بر اترنت با توجه به نحوه پیکر بندی آزاد تجهیزات ذاتاً زمان حقیقی
نمی باشند، ولی با داشتن سرعت بسیار بالای انتقال، سادگی در برقراری شبکه، یکسان بودن نوع اتصالات تجهیزات از سازندگان مختلف و یکسان بودن نحوه ارتباط، سازندگان را برآن ساخت تا از آن در صنعت نیز استفاده نمایند.
یکی از مشکلات پیش روی صنعتگران عدم قطعیت در ارسال به موقع اترنت می‌باشد به طوری که با وجود پهنای باند و سرعت بسیار بالا به دلیل عدم وجود مدیریت بر شبکه و تصادم‌های حاصل شده در شبکه، این پروتکل علناً در صنعت نمی تواند کارساز باشد، که در صورت رفع این نقیصه می‌توان به جایگزینی آن در صنعت امیدوار بود. در این رساله سعی شده یک روال منطقی برای بررسی دو نوع شبکه (پروفیباس و اترنت) در پیش گرفته شود و با انجام یکسری آزمایشات مشابه دو نوع شبکه مقایسه و نقاط ضعف و برتری هریک مشخص گردد.
هدف اصلی تمام آزمایشات بررسی زمانی پروتکل‌ها بوده و جهت بررسی هر آزمایش بر روی ۱۰۰۰ نمونه تکرار گردیده تا به یک جامعه آماری قابل قبول دست یابیم. آنچه مسلم است این است که از آنجا که تجهیزات مورد استفاده کاملا صنعتی و ساخته سازندگان بنام می‌باشد، امکان ایجاد تغییرات اساسی در ماهیت پروتکل‌ها و پورت‌ها نبوده و تمامی آزمایشات بر اساس استانداردهای آنها صورت پذیرفته است. با بهره گرفتن از آزمایشات اینگونه استنباط میگردد که پروتکل پروفیباس به مراتب قابل اطمینان تر از اترنت بوده و زمان دسترسی به اطلاعات در آن دارای قطعیت می‌باشد. در صورتیکه در اترنت بطور معمول این خصوصیت وجود ندارد. با بررسی‌های بعمل آمده مشخص گردید دلایل اصلی این مشکل وجود تصادم در شبکه می‌باشد. حال چنانچه بتوانیم برای این مورد راهکاری بیابیم می‌توان تا حدود زیادی اترنت را به سمت زمان حقیقی بودن سوق داد. در این راه با الگو گرفتن از شبکه پروفیباس با تعریف یک سیستم Master/ Slave برروی اترنت توانستیم این نقص را رفع و به دیتای زمان حقیقی دسترسی یابیم. به این صورت که برروی CPU مورد آزمایش یکی را به عنوان Master تعریف کرده و دو CPU دیگر را تابع آن عنوان کردیم. به این ترتیب مدیریت باس شبکه با Master بوده و او به Slave‌ هایش اجازه دسترسی را می‌داد که این امر مانع به وجود آمدن تصادم گردید.
در بخش آخر با مطالعه شبکه‌های چند حلقه ای سعی کردیم تا رفتار زمانی شبکه‌های ترکیبی را یافته و عوامل تاثیرگذار بر آنها را بیابیم. با آزمایشات صورت گرفته مشخص گردید که در این نوع شبکه‌های ترکیبی توپولوژی سیستم بیشترین تاثیر را داشته و بعضا با انتخاب یک توپولوژی اشتباه کارایی نهایی سیستم از تک تک پروتکل‌ها پایین تر می‌باشد، ولی با انتخاب مناسب سیستم می‌توان به بالاترین سرعت پاسخ و قطعیت دسترسی دست یافت. از سوی دیگر از آنجا که بخشی از این شبکه اترنت می‌باشد امکان تبادل اطلاعات بین تک تک عناصر اترنت وجود دارد، ویژگی که پروفیباس فاقدآن می‌باشد.
در نهایت نتیجه گیری کلی از این پایان نامه این می‌باشد که سرعت تنها فاکتور در انتخاب یک شبکه نبوده و عواملی دیگر نظیر توپولوژی، نوع دسترسی به باس، مدیریت شبکه و حتی ترتیب قرارگیری وسایل نیزمی تواند در شبکه تعیین کننده باشد.
پیشنهادات
در حالت کلی این تحقیق و روش پیشنهادی در زمان حقیقی نمودن اترنت می‌تواند سر آغازی بر پیاده سازی لوپ های کنترلی بر بستر اترنت بوده و با ترکیب پروتکل های مختلف به بالاترین سرعت و ضریب دسترسی به داده دست یافت. بنابراین با توجه به آزمایشات انجام شده می‌توان مسایل مختلفی از جمله موارد زیر را در آینده مورد بررسی قرار داد:
طراحی و بررسی نحوه ایجاد Token Pass در اترنت
طراحی و بررسی ساخت سیستمهایی با چند Master در شبکه اترنت
ارائه مدل تصادفی جهت بررسی و شبیه سازی زمان ارسال شبکه اترنت بر پایه تصادم در زمان‌ها و تعداد نا معلوم
ارائه نرم افزار شبیه ساز جهت پیکره بندی سیستم های متشکل از چند پروتکل نظیر اترنت و پروفیباس به منظور دست یابی به بالاترین سرعت و ضریب اطمینان
بررسی لوپ های Cascade کنترلی بر روی بستر اترنت
بررسی امکان پیاده سازی سیستم های Fail-Safe برای سیستم های اضطراری (ESD) بر روی شبکه اترنت و نحوه دست یابی به ضرایب ایمنی بالا
بررسی امکان استفاده از اترنت با بستر فیبر نوری در سیستم های دارای توابع مانیتورینگ و کنترلی با شبکه های فوق گسترده از لحاظ جغرافیایی، نظیر سیستم نشت یاب در خطوط سراسری انتقال نفت و یا گاز کشور
فهرست منابع

2004. 2004. Hanna, “Real-Time Analysis of FIP-based Systems”, Cairo University, Egypt, Oct. 2004.

http://www.profibus.com/technology/