تعتمد أتمتة المصانع الحديثة على بنية تحتية موثوقة للشبكات الصناعية لتبادل بيانات الحقل في الوقت الفعلي عبر أنظمة تقنية التشغيل. غالبًا ما يتعامل المهندسون مع أجهزة شبكات مثل الموزّعات والمبدّلات والموجّهات عند دمج وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة، وأنظمة التحكم الموزعة، وعُقد مراقبة SCADA. وعلى الرغم من أن هذه الأجهزة تشترك في المنافذ المادية، فإنها تعمل في طبقات مختلفة من النموذج المرجعي للربط البيني للأنظمة المفتوحة، وتوفر قدرات متميزة لإدارة حركة البيانات.

فهم موزّعات شبكات Ethernet في شبكات الحقول القديمة

يعمل موزّع شبكة Ethernet حصريًا كجهاز عتاد في الطبقة المادية، أي الطبقة الأولى. فهو يستقبل الإشارات الكهربائية أو تدفقات البتات على منفذ دخول واحد، ثم يبثها إلى كل منافذ الخروج المتصلة.

تفتقر الموزّعات إلى ذكاء إدارة حركة البيانات لأنها لا تفحص عناوين حزم البيانات. ونتيجة لذلك، تستقبل كل عقدة على مقطع الشبكة المحلي كل رسالة مُرسلة. ويؤدي هذا التكرار غير المُدار إلى ارتفاع معدلات تصادم الحزم، ويحدّ الاتصال إلى الوضع نصف المزدوج.

ملاحظة من الخبير: تحظر المعايير الصناعية الحديثة مثل PROFINET Real-Time وEthernet/IP استخدام الموزّعات التقليدية. إذ تؤدي حركة البث غير الخاضعة للتحكم إلى تذبذب شديد في زمن الاستجابة، ما يعطل حلقات التحكم الحركي عالية السرعة ووصلات الأمان البينيّة الحرجة.

المبدّلات الصناعية وإدارة حركة البيانات القائمة على عناوين MAC

يعمل مبدّل Ethernet الصناعي في الطبقة الثانية، المعروفة باسم طبقة ربط البيانات. وعلى خلاف الموزّع الأساسي، يفحص المبدّل إطارات Ethernet الواردة لقراءة عناوين التحكم في الوصول إلى الوسائط.

وينشئ جدولًا داخليًا لعناوين MAC لمطابقة منافذ الأجهزة المادية مع عتاد الوجهة المحدد. ويرسل المبدّل الإطارات مباشرةً إلى عقدة الوجهة المقصودة بدلًا من بثها إلى جميع العقد.

تدعم المبدّلات المُدارة من الطبقة الثانية الاتصال المزدوج الكامل، وتجري فحصًا للأخطاء على مستوى العتاد قبل إعادة توجيه الحزم. علاوةً على ذلك، تدعم الطُرز الصناعية المتقدمة بروتوكولات التكرار مثل التكرار الحلقي (MRP) والشبكات المحلية الافتراضية (VLANs) لتقسيم حركة بيانات التحكم بكفاءة.

الموجّهات الصناعية والربط بين الشبكات في الطبقة الثالثة

يعمل الموجّه الصناعي في الطبقة الثالثة، المعروفة باسم طبقة الشبكة في نموذج OSI. وتعيد الموجّهات توجيه حزم البيانات عبر شبكات منطقية منفصلة باستخدام جداول توجيه بروتوكول الإنترنت.

تربط الموجّهات الشبكات المحلية المنفصلة ببعضها، مثل ربط شبكة LAN في أرضية مصنع تقنية التشغيل بشبكة WAN أو منصة سحابية لتقنية المعلومات في المؤسسة. وتحلل مقاييس المسارات لتوجيه الحزم عبر المسار الأكثر كفاءة.

بالإضافة إلى ذلك، تدمج الموجّهات الصناعية جدران حماية ذات حالة ووظائف ترجمة عناوين الشبكة (NAT) لحماية وحدات التحكم الحقلية من الوصول الخارجي غير المصرح به.

تفصيل تقني مقارن لأجهزة الشبكات

سيناريوهات الاستخدام في أنظمة أتمتة المصانع

يتطلب الربط الشبكي الصناعي اختيار أجهزة تتوافق مع متطلبات أداء النظام وأمانه:

• اتصال خلية آلة محلية: تُعد المبدّلات الصناعية الخيار القياسي داخل لوحات التحكم. فهي توصل وحدات PLC، وواجهات الإنسان والآلة، ومحركات التردد المتغير، ووحدات الإدخال والإخراج البعيدة عبر خزانة مشتركة. وتضمن المبدّلات المُدارة المزودة بترتيب أولويات جودة الخدمة تجاوز رسائل التحكم الحرجة لبيانات التشخيص المرئية في الخلفية.
• العمود الفقري للمصنع بالكامل وتكامل تقنية التشغيل/تقنية المعلومات: تعزل الموجّهات الصناعية عمليات المصنع الحساسة عن شبكات تقنية المعلومات المؤسسية. ويسمح وضع موجّه يدعم VPN عند محيط الشبكة لمهندسي الشركات المصنّعة للمعدات الأصلية خارج الموقع باستكشاف أعطال وحدات التحكم في أنظمة التحكم الموزعة بأمان، من دون تعريض بيئة المصنع الداخلية لتهديدات الأمن السيبراني.

نبذة عن المؤلف

تشانغ وي مهندس معماري أول للأتمتة الصناعية، يتمتع بأكثر من 15 عامًا من الخبرة في الهندسة الميدانية، ويتخصص في ترحيل أنظمة التحكم الموزعة، ودمج وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة، وهندسة الأمن السيبراني الصناعي. ويقدم بنشاط المشورة لموردي الأتمتة العالميين، ويسهم بمواد تقنية في منشورات أنظمة التحكم الرائدة.