>

• الباحثون
   
• الملخص باللغة العربية
   
• الملخص باللغة الإنكليزية
   
• المقدمة
   
• دراسة مرجعية
   
• مواد البحث وطرائقه
   
• النتائج والمناقشة
   
• الاستنتاجات والتوصيات
   
• كلمات مفتاحية
   
• مراجع

الملخص

تستند شبكات المصانع على أحد أنواع برتوكولات Fieldbus الصناعية على اعتبارها مناسبة لأتمتة العمليات الصناعيّة وتُساعد في ربط الوحدات المتباعدة جغرافياً وتنسيق تبادل البيانات فيما بينها بشكل موثوق.
 تتشابه برتوكولات Fieldbus الصناعيّة بشكل كبير، فجميعها يتفق بعدد الطبقات المكوّنة للشبكة وطوبولوجيا الشبكة وأنماط الارسال المُستخدمة ويقتصر الاختلاف على طول الناقل الرئيسي وحجم الأُطر المُرسلة تبعاً للشركة المصنّعة، لذا تمّ اختيار أحد هذه البرتوكولات وهو MODBUS من أجل دراسة قابلية محاكي الشبكات OPNET في نمذجتها وتحليل أدائها.
في هذا البحث تمّ وضع نموذج لبرتوكول Fieldbus صناعي قابل للتحليل والاختبار ويدعم جميع مزايا البرتوكول المُختار مما أتاح دراسة ارتباط العامل MTU لحجم إطار البيانات المُرسل ببارامترات أداء الشبكة (زمن الاستجابة، وتأخير الانتقال للرسائل، واستخداميّة الشبكة) بهدف تحديد أفضل أداء لعمل الشبكة الصناعيّة وتحقيق مُتطلبات الزمن الحقيقي.

Abstract

Factory networks are based on one type of industrial Fieldbus protocol because suitable for the automation of industrial processes and help connect geographically  dispersed units and coordinate data exchange among them reliably. The industrial Fieldbus protocols are very similar, they all correspond to the number of network layers, network topology and transmission patterns, and the difference is limited to the length of the main bus and the size of the transmitted frames depending on the manufacturer, so one of these protocols MODBUS was chosen in order to study the ability of the OPNET network simulator modeling and analyzing its performance. In this paper, a model for an industrial Fieldbus protocol was developed that can be analyzed and tested and supports all the advantages of the chosen protocol, which made it possible to study the relationship between the MTU factor for the size of the transmitted data frame with network performance parameters (response time, end to end delay, and utilization) in order to determine the best performance for the Industrial network and real time requirements.

المقدمة:

يُعتبر برتوكول Fieldbus برتوكول اتصال رقمي ثنائي الاتجاه يدير الارسال بين الأجهزة الصناعيّة الذكيّة، ويُعد شبكة محلية مخصّصة للأتمتة المعامل.[1]
في شبكات Fieldbus ذات الارسال ثنائي الاتجاه من الممكن قراءة البيانات من وإلى الحساسات والمشغلات،     وينتج عن هذا النوع من الاتصال ثنائي الاتجاه للناقل توفيراً كبيراً بعدد الكابلات المُستخدمة وبتالي خفض تكاليف الإنتاج، و هناك العديد من أنواع برتوكولات Fieldbus ونذكر منها (Foundation Fieldbus             و DeviceNet و ControlNet و InterBus              و HART و AS-i  وMODBUS و CAN Bus)، تتشابه هذه البرتوكولات بشكل كبير جداً لذا درستنا لأحد أنواعها كافي لإعطائنا تصوّر واضح عن سلوكها بشكل إجمالي.[1]
إنّ أداء شبكات Fieldbus يتأثر بمجموعة من البارامترات المختلفة لذا لا بدّ من وضع نماذج تحاكي سلوك البرتوكول باستخدام أحد برامج المحاكاة الشبكيّة لدراسة وتحليل العوامل المؤثرة فيها.[2]
يدعم محاكي الشبكات OPNET نمذجة سلوك برتوكولات الاتصال ويتيح توفير بيئة مفتوحة المصدر لنمذجة كافة الاعتبارات التي يدعمها أي نوع من برتوكولات الاتصال،  وتمّ الاستفادة من هذه المزايا لنمذجة شبكة صناعية تستخدم أحد أنواع برتوكولات Fieldbus وهو برتوكول MODBUS و تحليل مجموعة بارامترات مؤثرة في الأداء لمعرفة سلوك الشبكة المستقبلي بهدف تحسينها و المحافظة على موثوقيتها.[3]

 الدراسات المرجعيّة:

اهتم العديد من الباحثين حول العالم بمجال نمذجة الشبكات الصناعيّة التي تعمل على بروتوكولات Fieldbus وتحليل أدائها وبالأخص التي تستخدم برتوكول MODBUS نظراً لانتشاره الواسع وسنذكر بعض الأبحاث التي تمّ الوقوف عندها و النظر في نتائجها:
- اقترح الباحثان Yao Yuanyuan, Chen Meng خوارزمية محسّنة لطول إطار الاتصال التكيفي استناداً على بروتوكول Modbus لتعديل طول الإطار بهدف تحديد حجم الإطار الأفضل للإرسال وفقاً لمتوسط معدل خطأ الإطار في الفترة الزمنيّة، و تمّ استخدام طريقة "تقليل سريع، زيادة بطيئة" لضبط طول إطار البيانات عند مستويات مختلفة من FER (Frame Error Rate) معدل خطأ الإطار، لا تعمل هذه الخوارزمية على تحسين معدل الإرسال فحسب بل أيضاً على تحسين استقرار الاتصال وبتالي الأداء.[4]
- الورقة البحثيّة [5] درست العديد من المعايير لتقييم أداء أجهزة الشبكات من نوعModbus ، وتتضمّن: 1) وقت الاستجابة لطلباتModbus ، (2 الحد الأقصى لعدد الطلبات التي يمكن التعامل معها بنجاح بواسطة أجهزة Modbus في فترة زمنيّة مُحدّدة، و3) مراقبة أجهزة Modbus عند تعرضها لهجوم رفض مُوزّع للخدمة (Distributed Denial of Service)، وتمّ استخدام دارتين الكترونيتين ذات تكلفة منخفضة وهي  (ESP8266   و Raspberry Pi / OpenPLC) لتقييم أداء برتوكول Modbus.
- الهدف من المقال [6] هو تقييم أداء ناقل صناعي وآليات تنفيذ دورة الرسائل حيث قدّم نموذجاً يستند على شبكة بتري الملونة لإجرائيات الإرسال وتنفيذ دورة الرسائل (MAC)( Medium Access Control) لطبقة ربط المعطيات للبرتوكولات Fieldbus، وأكدت النتائج على الحاجة لتحديد بارامتر زمن التشغيل وهو معكوس معدل الإرسال (transmission rate) بشكل مناسب من أجل ضمان الأداء الأمثل لشبكة Fieldbus.
- قام الباحثان Beata Krupanek and Ryszard Bogacz بإجراء بحث [7] باستخدام المحاكيOPNET  لدراسة أداء الأنظمة اللاسلكية متعددة العقد، وتمَ من خلال هذا البحث نمذجة شبكة مؤلفة من عدة عقد لاسلكية باستخدام برنامج OPNET ودراسة جودة الخدمة والأداء للشبكة من حيث تلبيتها لمُحدّدات الزمن الحقيقي و دراسة التأخيرات في عملية نقل البيانات.
- في الدراسة المرجعيّة [8] قدّم الباحثون تحليلاً لأداء بروتوكول الاتصال Modbus  الذي يتم تنفيذه باستخدام محاكي الشبكات (NS-3)، ويُركّز البحث على تقييم الأداء من خلال زمن الاستجابة مرتبطاً بعدد العقد والطوبولوجيا، وأظهرت النتائج أن طول الحزمة ليس له تأثيراً كبيراً على وقت الاستجابة في كلا النوعي للطوبولوجيا (الناقل والنجمي) وبتالي ليس له أثراً كبيراً على الأداء.
- في البحث [9] ناقش الباحثون أداة لتحليل وقت الاستجابة والجدولة لاتصالات برتوكول Modbus عبر ناقل RS-485، حيث يتم جمع أزمنة استجابة مجموعة الرسائل بواسطة جهاز Modbus مُتخصّص ثم إرسالها إلى البرنامج حيث يتم التحليل، ثم يتم نشر تطبيق Modbus عبر شبكة RS-485 بشكل يتناسب مع الأداء.
- قدم الباحثون Jia Hao, Jiechang Wu, Chaoyou Guo بحثاً [10] تمّ من خلاله نمذجة وتحليل أداء برتوكول CAN، حيث تم بالبداية نمذجة الناقل بشكل هرمي انطلاقاً من نموذج الشبكة و من ثم نموذج العقدة و من ثم نموذج العمليّة مع الأخذ بعين الاعتبار كلاً من وظائف معالجة الأخطاء وتحسس حالة القناة وأولويّة العقد لتفادي التصادم، وبعد الانتهاء من بناء النموذج تمّ دراسة بعض العوامل المؤثرة في الأداء مثل أولوية العقدة وحجم الإطار والأزمنة الفاصلة بين عمليات الإرسال.
- تمّ في البحث [11] دراسة بعض العوامل المؤثرة في تصميم الشبكات الصناعية Fieldbus من خلال المحاكاة باستخدام برنامج Opnet وأثر هذه العوامل عل أداء الشبكات، وتم اختيار ثلاث عوامل وهي معدل الإرسال (إما 2.5Mbps أو 1.5Mbps) وطبولوجيا الشبكة            (إما حلقي أو نجمي) ونوع مجمّع الشبكة المركزي              (إما hub أو switch) مما يقود إلى اختبار ثمانية سيناريوهات (2^3) في المحاكي OPNET، وتم في كل سيناريو تشغيلي حساب مجموع عدد الرزم المرسلة بالمقارنة مع عدد الرزم المستقبلة وتقسيم المجموعين للحصول على نسب تعكس أداء كل حالة اختبار.

 برتوكول Fieldbus الصناعي:

هو بروتوكول ذو نظام ارسال (Master/Slave)، فالعقدة "الرئيسية" تُصدر أوامر صريحة إلى إحدى العقد "التابعة" وتقوم بمعالجة الاستجابات، ولا تقوم العقد التابعة عادةً بنقل البيانات دون طلب من العقدة الرئيسيّة، ولا تتواصل مع العقد التابعة الأخرى إلا عن طريقها، ويتألف من ثلاث طبقات وهي (الطبقة الفيزيائية وطبقة ربط المعطيات          وطبقة التطبيق).[1]
برتوكول MODBUS الذي تم اختياره كأحد أبرز أنواع برتوكولات Fieldbus الصناعية و يُظهر الشكل (1) بنية الإطار حيث يتكون من أربعة حقول رئيسية:[2]
1.    حقل العنوان(Slave Address): يحتوي على عنوان الجهاز التابع فقط، و تقع عناوين العقد التابعة في نطاق العشري (0-247).
2.    حقل البيانات(Data): و يحتوي رسالة المعلومات المرسلة من العقدة الرئيسية و التي يتوجب على الجهاز التابع تنفيذها.
3.    حقل الوظيفة(Function Code): يشير إلى رمز الوظيفة للجهاز التابع أي نوع الإجراء الذي يجب القيام به.
4.    حقل تدقيق الأخطاء(CRC): هو نتيجة حساب "التحقق من التكرار" الذي يتم إجراؤه على محتويات الرسالة من أجل كشف الخطأ و إعادة الارسال.

الشكل (1): إطار MODBUS.

محاكي الشبكات OPNET:

إنّ OPNET عبارة عن أداة من شركة MIL3  طوّرها الطالب Alain Cohen في عام 1986 وهو اختصار لـ Optimized Network Engineering Tools أي أدوات هندسة الشبكات المُحسّنة، وهو أحد أشهر المحاكيات الشبكيّة وأكثرها شعبية بسبب استخدامه الكبير والواسع في مجالي الصناعة والأبحاث الشبكية، وهو نظام هندسي قادر على محاكاة شبكات الاتصال الضخمة مع نمذجة تفصيليّة للبروتوكولات والتطبيقات والأجهزة وتحليل الأداء، وتمّ استخدام نسخة OPNET الأكاديمية ذات الاصدار (14.5) في بحثنا.[3]

 نمذجة مكونات شبكة صناعية لبرتوكول Fieldbus:

نقوم بإنشاء شبكة ذات طوبولوجيا ناقل تسلسلي مُكوّنة من (11) عقدة قابلة للاختبار، واحدة منها هي "Master" و الأخرى من النوع "Salves" و تمّ وضع عدة أنواع من العقد التابعة مثل (الحساسات الرقمية والتماثلية               والمشغلات الرقمية والتماثلية وأجهزة التحكم المنطقية PLC التابعة) تتبادل البيانات فيما بينها وفق أحد أنواع برتوكولات Fieldbus وهو MODBUS كما يظهر في الشكل (2).

الشكل (2): شبكة برتوكول Fieldbus المُصمّمة باستخدام برنامج OPNET.

لا تحتوي مكتبة OPNET ناقل برتوكول MODBUS بمختلف أنواع العقد المتصلة به من حساسات ومشغلات و أجهزة تحكم منطقيّة PLC وناقل RS485 لنقل أُطر البيانات ذات النمط RTU المُستخدم، لذلك قمنا بنمذجة هذه المكونات من خلال عملية تعديل خصائص العقد المُختارة لتتناسب مع خصائص شبكة ناقل MODBUS التسلسلي، كما يُتيح برنامج OPNET بناء إطار برتوكول اتصال معين، وتمّ تشكيل إطار برتوكول MODBUS و إضافته إلى الشبكة المصممة كما يظهر في الشكل(3).
 

الشكل (3): حقول إطار MODBUS الأربعة في برنامج OPNET.

العوامل المؤثرة في بارامترات الأداء:
يوجد العديد من العوامل المؤثرة في بارامترات أداء الشبكات الصناعية تمّ دراستها في العديد من الأبحاث المرجعيّة نذكر منها ( طوبولوجيا الشبكة ، عدد العقد في الشبكة ، طول و نوعيّة الناقل) و غيرها من العوامل الأخرى، و تمّ اختيار العامل (MTU) في دراستنا و الذي هو اختصار للعبارة (Maximum Transmission Unit  ) و يُعرّف بوحدة الارسال العظمى أي حجم أكبر بيانات مرسلة في حقل الـ(Data) للإطار و هو مُرتبط بالقيمة الأعظمية لحجم الإطار المُرسل وفق برتوكول الاتصال ويرتبط العامل (MTU) بمجموعة عوامل أخرى بالعلاقة الرياضيّة الآتية[12]:

    (T_(transmission )): زمن الارسال اللازم لإرسال المعلومات بشكل كامل من المنبع.
    (D): عدد البيانات الكلي أو حجم (Data).
    (H): حجم الترويسة للبرتوكول المستخدم.
    (R): معدّل الارسال.
نلاحظ من العلاقة الرياضيّة السابقة وجود العامل (MTU) في البسط و المقام و بتالي لا بد من إجراء اختبار دقيق لتحديد قيمة مناسبة له،  فالقيمة الصغيرة نسبياً تنعكس سلباً على الأداء نتيجة زيادة حجم الترويسات للأطر المرسلة مما يؤدي إلى انخفاضه، و كذلك زيادة حجمه نسيباً سيزيد من طول الإطار و بتالي سيؤثر على بارامترات أخرى مرتبطة بالأداء و بتالي انخفاضه أيضاً، لذا لا بدّ من اختيار قيمة وسط للمقدار (MTU) تحقّق أفضل أداء للشبكة.
البارومترات المرتبطة بأداء ناقل Fieldbus الصناعي كثيرة ونختار منها:
1.    (Response Time): وهو من النوع (Global Statistics) و يُمثل الزمن اللازم لإرسال الطلب واستلام الاستجابة، حيث يتم قياس زمن التأخير بين لحظة ارسال العقدة الرئيسية (Master) الطلب إلى العقدة التابعة (Salve) ولحظة تلقي الاستجابة ويُقاس هذا التأخير الزمني بالثانية ويتناسب عكساً مع أداء الشبكة فبنقصانه يزداد الأداء.
2.     (End To End Delay): و هو من النوع (Global Statistics) و يُمثل الزمن التأخير (end to end) الفاصل بين لحظة ارسال الرسالة من المنبع إلى لحظة استقبالها من قبل الوجهة، ومن أجل الحصول على أداء أفضل لا بد من تخفيضه قدر الإمكان.
3.     (Utilization): وهي من النوع (Link Statistics) و تمثل النسبة المئوية المُستهلة لعرض النطاق الترددي للنقال الرئيسي و بازدياد النسبة يزداد الأداء.

 

 دراسة وتحليل النتائج المرتبطة ببارامترات شبكة MODBUS التسلسلي:

تمّ تشغيل عملية المحاكاة على خمسة سيناريوهات مختلفة ، تمّ فيها زيادة قيمة العامل MTU بالترتيب (8-16-50-150-252)  بايت، وتمّ تحديد زمن المحاكاة بمقدار (10) دقائق.                                              
-البارامتر(Response Time):  نلاحظ  أنّه مع  ازدياد حجم  (MTU)  يزداد زمن الاستجابة فعند القيمة (MTU=8 [Byte])  سجل قيمة (0.2) ثانية وازدادت بشكل طفيف مع ازدياد الحجم لتصل للقيمة (0.45) ثانية عند (MTU=252 [Byte])، كما هو مُوضح بالشكل(4).

الشكل (4): مقارنة قيم البارامتر "Response Time " عند احجام MTU مختلفة.

البارامتر(End To End Delay): بشكل مشابه لبارامتر زمن الاستجابة سجل تزايداً طفيفاً بدأ من القيمة (30) ميلي ثانية عند (MTU=8 [Byte]) و وصل للقيمة (70) ميلي ثانية عند (MTU=252 [Byte])، كما يظهر في الشكل(5).

الشكل (5): مقارنة قيم البارامتر "End To End Delay" عند احجام MTU مختلفة.

- البارامتر (Utilization): شهد هذا البارامتر ازدياد مع ازدياد حجم (MTU) فسجل قيمة (55%) عند أول سيناريو وقيمة (70%) عند خامس سيناريو كما يظهر في الشكل (6).

النتائج والاستنتاجات:

على الرغم من ازدياد أزمنة التأخير بازدياد حجم الإطار المُرسل نتيجة زيادة العامل MTU إلا أنّه يبقى في مستويات مقبولة بالنسبة لمتطلبات الزمن الحقيقي في الشبكات الصناعيّة و الذي يُحدد قيمة عظمى لتأخير زمن الاستجابة بمقدار (0.5) ثانية، من جهة أخرى لاحظنا ارتفاع في استخدامية الناقل بقدار (15%) و بتالي رفع أداء الشبكة الصناعية لبرتوكول MODBUS التسلسلي.
إنّ استخدام رسائل بأحجام أطر من رتبة (200 [Byte]) لن يخل بمُتطلبات الزمن الحقيقي بل له أثر إيجابي في زيادة استخدامية الناقل و بتالي رفع أداء الشبكات الصناعية، و على الرغم من عدم تأثر الناقل بأقصى حجم للإطار عند (MTU = 252 [Byte]) إلا أنه لا يُنصح بالوصول لهذه القيمة نتيجة الاقتراب الكبير من القيمة الحديّة التي تخل بشروط العمل في الزمن الحقيقي للشبكات الصناعية فتبقى نماذج المحاكاة مثاليّة من ناحية التصميم ولا يظهر فيها عيوب الوصلات والاسلاك التي تُسبب تأخير لا بدّ منه في الشبكات الصناعية الواقعية.
مما سبق نستنتج إنّ أحجام الأطر للعقد المتصلة بالشبكة ضمن المجال من (150) إلى (200) بايت تُسبب زيادة في استخدامية الناقل و بتالي الأداء و بشكل لا يزيد من أزمنة التأخير لتبقى في مستويات مقبولة لعمل الشبكات الصناعية في الزمن الحقيقي.
 

 التوصيات والآفاق المستقبلية:

يمكن استخدام نموذج الشبكة المصمّم لدراسة عوامل أخرى مُؤثرة في بارامترات الأداء.
إجراء نماذج لأنواع أخرى من البروتوكولات الصناعية وتحليل أدائها.
نمذجة شبكات صناعية لأحد المعامل باستخدام برنامج OPNET واختبار أدائها.

الكلمات المفتاحية

برتوكول Fieldbus ، أداء الشبكات الصناعية، نمذجة الشبكات باستخدام OPNET.

Keywords

Fieldbus protocol, performance of industrial networks, network modeling using OPNET.

Reference

[1] KUMER SEN.2014.Fieldbus and Networking in Process Automation. New York .
[2] MODBUS.Org.2006.MODBUS over Serial Line Specification and Implementation Guide. US.
[3] LU YANG H.2012.Unloking The Power of OPNET Modeler. CAMBRIDGE. UK.
[4] Yunyuan,Y and Meng,C.2020.An Improved Algorithm for Adaptive Communication Frame Length Based on Modbus Protocol. IEEE. Shenyang Institute of Technology. China.p.132-135
[5] Gamess,E; Smith,B and Francia,G.2020 . PERFORMANCE EVALUATION OF MODBUS TCP IN NORMAL OPERATION AND UNDER A DISTRIBUTED DENIAL OF SERVICE ATTACK. IJCNC. Florida.US. p.12-20
[6] Mnaouer,A ; Fujii,Y  and Sekiguch,T.2017. Colored Petri Nets Based Evaluation of Transmission Procedures at a Fieldbus Data Link Layer Protocol.IEEE.Yokohama University.Brazil.p233-242
[7] Krupanek,B and Bogacz,R.2016.OPNET Modeler simulations of performance for multi nodes wireless systems. Silesian University of Technology. Poland.p.33-42
[8] Kim,B; Lee,D and Choi,T.2015. Performance Evaluation for Modbus/TCP Using Network Simulator NS3.IEEE. Kyungpook National University. Korea.p.167-175
[9] Künzel,G; Ribeiro,C.and Pereira,C.2014. A Tool for Response Time and Schedulability Analysis in Modbus Serial Communications. IEEE. Federal Institute of Education. Brazil.155-62
[10] Hao,J; Wu,J and Guo,C.2011. Modeling and Simulation of CAN Network Based on OPNET. IEEE. Naval University. China.p245-253
[11] Oh,E.2009. Study of Network Design Factors That Influence Industrial Fieldbus Network-Based System Integration . The Ohio State University. Korea.p.21-33
[12] Guo,Y; Pan,Y and Cai,L 2016. OPNET-based Analysis of MTU Impact on Application Performance .IEEE. Communication University. China.p.197-207