لمحة عامة عن بروتوكول ControlNet

ما بروتوكول الكونترول نت ControlNet:

سنتحدث في هذا المقال والفيديو المرفق معه عن إحدى الشبكات الموثوقة ذات السرعة العالية والمسماة ControlNet.

فإن كنت بحاجة إلى استخدام شبكة صناعية فتابع معنا هذه المقال لتحصل على الحلول.

الكونترول نت: هي بروتوكول انترنتٍ صناعيٍّ مفتوح تديره جمعية خاصة من الشركات تدعى اختصارا ODVA أو “Open DeviceNet Vendors Association” حيث يعتمد البرتوكول على طوبولوجيا شبكة تحكم خطيّة ذات تمرير العلامة Token-passing وسنوضح آلية عمل هذا النوع في المقال.

مقدمة عن الكونترول نت:

يشترك الكونترول نت والبروتوكول الصناعي المشترك CIP في الطبقات العليا الثلاث من نموذج الـ OSI المؤلف من سبع طبقات: وهي الطبقة المادية (physical)، وطبقة ربط البيانات (data link) وطبقة الشبكة (network)، وطبقة النقل (transport)، طبقة الجلسة (session)، وطبقة التقديم أو العرض (presentation)، وطبقة التطبيقات (application).

تمكن مصممو كونترول نت من جعل طبقات البروتوكول الصناعي المشتركCIP  الخاصة بالنقل والشبكة وربط البيانات والطبقة المادية ملائمةً لاحتياجات شبكة كونترول نت ControlNet.

نموذج osi (مصدر الصورة : realpars.com)

صُمم كونترول نت ليؤمن موثوقية  نقل بيانات الدخل والخرج وأوامر التّحكم بسرعة عالية باستخدام البرمجة التي تحدد وقت تنفيذ الأوامر البرمجية في الشبكة (تراتبيتها)، كما أنه يسمح بتبادل الرسائل المهمَّة والمستعجلة من  دون أن تتداخل مع بيانات التّحكم والدخل والخرج، وتكون الأجهزة التي يمكن وصلُها إلى شبكة كونترول نت هي: المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة وهياكل أجهزة الدخل والخرج والواجهات بين المستخدم والآلة HMI وأجهزة الكومبيوتر والمحركات والروبوتات، ويُستخدم عادةً مع الأجهزة والتطبيقات الإضافية و/أو التطبيقات التي تعمل بكفاءة أكبر عند استخدامها وَفق نمط مجدول من الاتصالات.

شبكات كونترول نت الإضافية (مصدر الصورة : realpars.com)

إن معدل نقل البيانات في شبكات كونترول نت هو 5 ميغابت في الثانية وهو في المجال المتوسط حيث تؤمن الشبكات الشائعة الأخرى معدلات أعلى أو أقل مثل Ethernet IP التي يتراوح معدل النقل فيها بين 10 ميغابت في الثانية إلى 1 غيغابت في الثانية، في حين يكون في شبكة DeviceNet بين 125 إلى 500 كيلوبت في الثانية.

هيستوغرام معدلات النقل
هيستوغرام معدلات النقل (مصدر الصورة : realpars.com)

طبقة الكونترول نت المادية وتتألف من:

موصلات كونترول نت:

إن الكابلات المستخدمة في شبكة الكونترول نت هي كابلاتٌ محوريّة نوعُ RG-6 مع موصلات BNC التي تكون إما مجدولًا twist-on وإمّا نوعَ القفل locking type وإما تصاميم أكثر قوة مثل screw threaded الذي يُستخدم في البيئات ذات الظروف القاسية.

 أشكال الموصلات
أشكال الموصلات (مصدر الصورة : realpars.com)

 الكابلات:

بإمكانك اختيار الكابل المرن flexible أو المطمور مباشرة من دون حماية (الكابل الأرضي) direct burial أو كابلات plenum وذلك يعتمد على التطبيق والبيئة التي تُستخدم بها هذه الشبكة فمثلاً بعض تطبيقات كونترول نت تتطلب مد الكابلات لمسافات طويلة فيمكن حينها استخدامُ كابلات الألياف الضوئية.

 أشكال الكابلات:
أشكال الكابلات (مصدر الصورة : realpars.com)

أقصى مسافة لكابل الكونترول نت هي 1000 متر ما لم يتم استخدام مكررات  repeaters حيث يسمح بمعدل ٥ مكررات كحد أعظمي في الشبكات الأساسية و١٠ في حالة وجود شبكة إضافية، ويمكن أن يدعم كونترول نت وصل 99 عقدة (جهاز) nodes على الشبكة كحد أقصى عدا المكرراتِ حيث لا تُحتسب كجزء من عدد الأجهزة (العقد).

شبكة كونترول نت
شبكة كونترول نت (مصدر الصورة : realpars.com)

الأجهزة وطوبولوجيا شبكة الكونترول نت:

لبنية كونترول نت ثلاثة أشكال؛ ذو خط رئيس وخطوط متفرعة trunk-line drop-line والنجمي والشجري حيث يمكن اختيار أيّ منها لتصميم الشبكة المطلوبة.

أشكال بنية الكونترول نت
أشكال بنية الكونترول نت (مصدر الصورة : realpars.com)

وتحتوي الأجهزة الآتية: الوصلات التفرعية taps، ومقاومات التخميد (مقاومات توصل في نهاية الخط لمنع الإشارة من الانعكاس) terminating resistor، والقطاعات الشبكية segments، والمكررات repeaters، والجسور bridges.

أجهزة الشبكة
أجهزة الشبكة (مصدر الصورة : realpars.com)

نقطة التفرع tap هي الجهاز الذي يسمح بتوصيل العقد (الأجهزة) بالكابل الرئيس (قناة الاتصال) عبر مد كابل فرعي drop cable.

صورة توضيحية للتوصيل
صورة توضيحية للتوصيل (مصدر الصورة : realpars.com)

يوجد كثير من أشكال نقاط التفرع taps وهي T و Y والشكل المستقيم وزاوية قائمة مما يمنح مرونة في تصميم الشبكة.

أشكال الوصلات
أشكال الوصلات (مصدر الصورة : realpars.com)
  • مقاومة التخميد: تتطلب نهاية كل فرع كابل مقاومة قيمتُها 75Ω.
  • القطاعات الشبكية segments: وهي مجموعةُ كابلات رئيسة ونقاطُ تفرع taps تحوي مقاوماتٍ في نهاية كل طرف، وطول كل قطاع يعتمد على عدد الأجهزة المضافة إلى الكبل الرئيس.
  • المكررات repeaters: التي تستخدم لزيادة مساحة شبكات الكونترول نت بتوصيل بعضها إلى طريق القطاعات الشبكية.
  • الجسور Bridges: وهي أجهزة اتصالات تستخدم لتصل بين الشبكات التي توجه حزم معلومات الشبكة من دون أي دخل أو خرج فعلي.
 أجهزة شبكة الكونترول نت
أجهزة شبكة الكونترول نت (مصدر الصورة : realpars.com)

طبقة data link في كونترول نت:

ControlNet Token ring:

الآن لنلقِ نظرةً على الطبقات الأخرى بعد أن رأينا أساسيات كونترول نت ولندخل في تفاصيل آلية عمل تلك الطبقات:

كما ذكرنا سابقاً تستند هذه الشبكة إلى خط نقل يعتمد على تمرير علامات Token passing التي تمثل بنية حلقية Token ring توصل أجهزتها بكابل محوري، ويعين فيها عنوان MAC ID من 1 إلى 99 لكل عقدة حيث تملك عنوان العقدة السّابقة لها واللاحقة.

 البنية الحلقية
البنية الحلقية (مصدر الصورة : realpars.com)

– لكل عقدة زمن محدد بعلامة  token، ترسل به إطارات البيانات حتى تنتهي عملية الإرسال أو ينتهي الزمن المحدد للعلامة، ثم تُنشأ علامة جديدة وتُمرر إلى الجهاز أو العقدة التالية، وقد لا تحوي بعض العقد بيانات لنقلها، ففي هذه الحالة تمرر العلامة فقط إلى العقدة اللاحقة التالية، وتكرر هذه العملية حتى تدور كل العلامات العقد في الحلقة المنطقيّة للشبكة، كما يمكن لعقدة واحدة فقط أن ترسل بياناتها على شبكة الكونترول نت ممّا يمنع حدوث أي تداخل في إشارات العقد (البيانات)، أما في حال توقف العقدة عن الإرسال وعدم تمريرها للعلامة فإن بروتوكول كونترول نت سيعطي أمراً لإعادة إنشاء العلامة و إرساله إلى العقدة التالية.

 توضيح عملية تمرير البيانات في البنية الحلقية
توضيح عملية تمرير البيانات في البنية الحلقية (مصدر الصورة : realpars.com)

التوقيت في كونترول نت:

طبقة Datalink لبروتوكول كونترول نت هي المكانُ الذي يحدث به توقيت الكونترول نت بـ NUT (زمن تحديث الشّبكة) الذي يستند إلى دورة زمنيّة ثابتة ومكررة، ويعين زمن تحديث الشبكة من 2 إلى 100 ميلي ثانية وله ثلاثة أجزاء رئيسة: التوقيت المجدول وغير المجدول وزمن الحماية guardband، وتحتوي العقد على مؤقتات خاصة بها تُزامن مع زمن تحديث الشبكة NUT الذي يقسّم وقت الوصول بين العقد بالتساوي.

صورة توضيحية للتوقيت
صورة توضيحية للتوقيت (مصدر الصورة : realpars.com)

شبكة الكونترول نت و طبقات النقل:

في هذه الطبقة تملك الكونترول نت نوعين من المراسلة:

  • غير متصلة unconnected.
  • متصلة connected.

تُستخدم المراسلة غير المتصلة عند إنشاء اتصالات أو رسائل غير بالغة الأهمية ولا تتكرر كثيراً، في حين تستخدم المراسلة المتصلة الإعدادات في كل عقدة مثل الرسائل الصريحة المكررة أو بيانات دخل وخرج في الزمن الحقيقي، كما تستخدم الكونترول نت فواصل الحزم المطلوبة RPI لتحديد عدد مرات نقل بيانات الدخل والخرج خلال زمن تحديث الشّبكة، أي يخبرنا NUT بعدد مرات تحديث الحَلْقة المنطقية بأكملها أو الشبكة أما RPI فيخبرنا بعدد مرات طلب الأجهزة الإرسال على شبكة كونترول نت.

مَزِيَّاتُ الكونترول نت ومساوئه:

– بعض مَزِيَّات الكونترول نت هي: السرعة العالية والجدولة بدقة والحصول على بيانات مؤكدة ودعم لتوصيل كابلات إضافية والاستقرار والموثوقية.

– المساوئ هي أن كلفة التجهيزات يمكن أن تكون أعلى من أجهزة البروتوكولات الأخرى وقد تكون عملية اكتشاف الأخطاء وإصلاحها أصعب.

يمكن لشبكة كونترول نت أن تكون ذات موثوقية واستقرار عاليين إذا أُعِدّت إعدادًا صحيحًا كما ستتطلب عمليات صيانة أقل عدداً.


المصدر: هنا
ترجمة: سها أديب, مراجعة: آلاء أغا, تدقيق لغوي: محمد بابكر, تصميم: علي العلي, تحرير: علي العلي 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *