اتوماسیون مدرن کارخانه برای تبادل داده‌های بلادرنگ فرایندی میان سامانه‌های فناوری عملیاتی، به زیرساخت شبکه صنعتی قابل‌اعتماد متکی است. مهندسان هنگام یکپارچه‌سازی کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر، سامانه‌های کنترل توزیع‌شده و گره‌های پایش اسکادا، اغلب با سخت‌افزارهای شبکه‌ای مانند هاب‌ها، سوئیچ‌ها و روترها سروکار دارند. اگرچه این دستگاه‌ها درگاه‌های فیزیکی مشترکی دارند، در لایه‌های متفاوتی از مدل مرجع اتصال متقابل سامانه‌های باز فعالیت می‌کنند و قابلیت‌های متمایزی برای مدیریت ترافیک ارائه می‌دهند.

آشنایی با هاب‌های شبکه اترنت در شبکه‌های میدانی قدیمی

هاب شبکه اترنت صرفاً یک دستگاه سخت‌افزاری لایه فیزیکی، یعنی لایه ۱، است. این دستگاه سیگنال‌های الکتریکی یا جریان‌های بیتی را از یک درگاه ورودی دریافت می‌کند و به همه درگاه‌های خروجی متصل ارسال می‌کند.

هاب‌ها فاقد هوشمندی ترافیکی هستند، زیرا نشانی‌های بسته‌های داده را بررسی نمی‌کنند. در نتیجه، هر گره در بخش شبکه محلی، همه پیام‌های ارسال‌شده را دریافت می‌کند. این تکرار کنترل‌نشده باعث افزایش نرخ برخورد بسته‌ها می‌شود و ارتباط را به حالت نیمه‌دوطرفه محدود می‌کند.

یادداشت تخصصی: استانداردهای مدرن صنعتی مانند PROFINET Real-Time و Ethernet/IP استفاده از هاب‌های سنتی را ممنوع می‌کنند. ترافیک پخشی کنترل‌نشده، نوسان شدید تأخیر ایجاد می‌کند که حلقه‌های حیاتی کنترل حرکت با سرعت بالا و اینترلاک‌های ایمنی را مختل می‌کند.

سوئیچ‌های صنعتی و مدیریت ترافیک مبتنی بر MAC

سوئیچ اترنت صنعتی در لایه ۲، موسوم به لایه پیوند داده، فعالیت می‌کند. برخلاف هاب ساده، سوئیچ فریم‌های ورودی اترنت را بررسی می‌کند تا نشانی‌های کنترل دسترسی به رسانه را بخواند.

سوئیچ یک جدول داخلی نشانی‌های MAC ایجاد می‌کند تا درگاه‌های فیزیکی دستگاه‌ها را با سخت‌افزار مقصد موردنظر تطبیق دهد. سوئیچ فریم‌ها را مستقیماً به گره مقصد می‌فرستد، نه اینکه آن‌ها را در سراسر شبکه پخش کند.

سوئیچ‌های مدیریت‌شونده لایه ۲ از ارتباط تمام‌دوطرفه پشتیبانی می‌کنند و پیش از ارسال بسته‌ها، بررسی خطای سخت‌افزاری را انجام می‌دهند. افزون بر این، مدل‌های پیشرفته صنعتی از پروتکل‌های افزونگی مانند افزونگی حلقه (MRP) و شبکه‌های محلی مجازی (VLAN) برای بخش‌بندی کارآمد ترافیک کنترلی پشتیبانی می‌کنند.

روترهای صنعتی و اتصال متقابل شبکه‌ها در لایه ۳

روتر صنعتی در لایه ۳، موسوم به لایه شبکه در مدل OSI، فعالیت می‌کند. روترها با استفاده از جدول‌های مسیریابی پروتکل اینترنت، بسته‌های داده را میان شبکه‌های منطقی جداگانه هدایت می‌کنند.

روترها شبکه‌های محلی جداگانه را به یکدیگر متصل می‌کنند؛ برای نمونه، شبکه محلی کف کارخانه در بخش فناوری عملیاتی را به شبکه گسترده فناوری اطلاعات سازمانی یا یک بستر ابری متصل می‌کنند. آن‌ها معیارهای مسیر را تحلیل می‌کنند تا بسته‌ها را از کارآمدترین مسیر هدایت کنند.

علاوه بر این، روترهای صنعتی برای محافظت از کنترل‌کننده‌های میدانی در برابر دسترسی خارجی غیرمجاز، فایروال‌های حالت‌مند و قابلیت‌های NAT را در خود جای می‌دهند.

بررسی فنی مقایسه‌ای سخت‌افزارهای شبکه

سناریوهای کاربردی در سامانه‌های اتوماسیون کارخانه

شبکه‌سازی صنعتی مستلزم انتخاب سخت‌افزاری است که با الزامات عملکرد و امنیت سامانه مطابقت داشته باشد:

• اتصال محلی سلول ماشین: سوئیچ‌های صنعتی انتخاب استاندارد درون تابلوهای کنترل هستند. آن‌ها PLCها، رابط‌های انسان و ماشین، درایوهای فرکانس متغیر و بلوک‌های ورودی/خروجی راه‌دور را در یک تابلو مشترک به هم متصل می‌کنند. سوئیچ‌های مدیریت‌شونده با اولویت‌بندی کیفیت خدمات تضمین می‌کنند که پیام‌های حیاتی کنترلی از داده‌های تشخیصی تصویری پس‌زمینه عبور کنند.
• ستون فقرات سراسری کارخانه و یکپارچه‌سازی OT/IT: روترهای صنعتی عملیات حساس کارخانه را از شبکه‌های فناوری اطلاعات سازمانی جدا می‌کنند. قرار دادن یک روتر مجهز به پشتیبانی VPN در مرز شبکه، به مهندسان سازنده تجهیزات اصلی در خارج از محل اجازه می‌دهد کنترل‌کننده‌های DCS را به‌صورت ایمن عیب‌یابی کنند، بدون اینکه محیط داخلی کارخانه در معرض تهدیدهای امنیت سایبری قرار گیرد.

معرفی نویسنده

ژانگ وی معمار ارشد اتوماسیون صنعتی است و بیش از ۱۵ سال تجربه مهندسی میدانی دارد و در زمینه مهاجرت DCS، یکپارچه‌سازی PLC و معماری امنیت سایبری صنعتی تخصص دارد. او به‌طور فعال به فروشندگان جهانی راهکارهای اتوماسیون مشاوره می‌دهد و در نشریات پیشرو سامانه‌های کنترل، مقالات فنی منتشر می‌کند.