افزونگی در کنترل کننده‌ها با استفاده از شبکهٔ Profinet

افزونگی در شبکهٔ Profinet به چهار بخش تقسیم می‌شود: افزونگی در تجهیزات، کارت شبکه، کابل شبکه و در بخش کنترل‌کننده.
در این نوشتار افزونگی در کنترل‌کننده‌ها و شبکه که از نظر ساختاری پیچیده‌تر از تجهیزات است، توضیح داده می‌شود.
افزونگی در کنترل‌کننده‌ها از دو بخش اصلی تشکیل شده‌اند: بخش اول هماهنگی بودن و کار دو کنترل کننده به صورت هم‌زمان و دوم نحوه دسترسی هم‌زمان دو کنترل‌کننده به شبکهٔ Profinet است. در پروتکل Profinet فقط نحوهٔ استفاده از این امکان تعریف شده است به همین دلیل تمامی سامانه‌هایی که Profinet را پشتیبانی می‌کنند قابلیت افزونگی در سطح کنترل‌کننده را ندارند. برای نمونه بسییاری از سازندگان PLC‌ کارت شبکهٔ Profinet را برای ارتباط با سایر تجهیزات ارائه می‌دهند بدون اینکه قابلیت افزونگی در سامانهٔ خود توسط این شبکه را داشته‌باشند.
افزونگی کنترل‌کننده‌ها در حالت عادی
افزونگی در سطح کنترل‌کننده در حالت عادی بدان معنی است که دو CPU همزمان به یک تجهیز توسط شبکهٔ Profinet‌ متصل شوند (بخش سمت چپ شکل ۱). در این حالت پردازشگر اولیه (Primary) مانند حالت عادی یک ارتباط شبکه‌ای به تجهیزات متصل شده و کار تبادل و پردازش اطلاعات را بر عهده دارد. پردازشگر دوم (Backup) با این‌که به تجهیز متصل است هیچ‌گونه خروجی (output)‌ به تجهیز را نداشته و امکان تغییرات در تجهیز متصل شده بر اساس برنامه‌ٔ نوشته‌شده را ندارد. در زمانی که کنترل‌کنندهٔ اولیه به هر دلیلی نتواند کار خود را انجام دهد (بخش سمت راست شکل ۱) کنترل‌کننده دوم (Backup) وظیفهٔ کنترل‌کنندهٔ اولیه را بر عهده گرفته و پردازش اطلاعات و ایجاد خروجی مناسب را در دست می‌گیرد.

شکل ۱- تصویر ارتباط افزونگی کنترل‌کننده به یک تجهیز (دراینجا یک Remote I/O)
کارکرد در شرایط غیرعادی
هنگامی که کنترل‌کنندهٔ اولیه از کار می‌افتد، یک تجهیز اجازهٔ این را ندارد که به‌ صورت سرخود از شبکهٔ دوم (Backup) به جای شبکهٔ اولیه (Primary) استفاده کند. در این حالت تجهیز با منتظر باشد تا کنترل‌کننده دوم (Backup) نقش خود را به عنوان کنترل‌کنندهٔ اصلی بر عهده بگیرد. در این حالت کنترل ‌کننده جدید تغییرات و هماهنگی لازم برای تبادل داده‌ها را در کل شبکه ایجاد می‌کند. این امر سبب می‌شود که یک تجهیز به صورت جداگانه اقدام به ارسال اطلاعات نکند.
هنگامی که یک تجهیز درخواست ارسال داده‌‌‌ها را از کنترل‌کنندهٔ جدید دریافت می‌کند با یک سری از کارها را انجام دهد:
۱-مطمئن شود که آلارم‌های ارسالی به کنترل‌کنندهٔ قدیم، پردازش شده‌اند.
۲-اطلاعات ورودی به تجهیز که به شبکهٔ جدید (Backup) ارسال می‌شوند، به روز باشند.
۳-مطمئن شود که اتفاق و تغییر بزرگی در خروجی‌های (big bump) اتفاق نمی‌افتد.
در صورت انجام مراحل فوق تبادل داده‌ها با کنترل‌کنندهٔ جدید آغاز می‌شود. در هر صورت کنترل‌کنندهٔ جدید باید همهٔ این کارها را با تجهیزات متصل به شیکهٔ Profinet انجام دهد. هنگامی که Stack شبکهٔ Profinet‌ مشغول انجام کلیهٔ جزئیات این انتقال است برنامهٔ نوشته‌شده در کنترل‌کننده که کنترل Stack شبکه را نیز بر عهده دارد نیز درگیر انجام این امور خواهد بود. برنامه نوشته شده در کنترل‌کننده مسئول پایش این شرایط گذر از کنترل‌کنندهٔ قدیم به جدید بوده و داده‌های ارسالی به تجهیز باید مانند اطلاعات ارسالی از کنترل‌کننده قدیمی (ازکار افتاده) به آن باشد.
هماهنگی، پیچیدگی و هزینه
همان‌طور اشاره شد افزونگی نیاز به هماهنگی خاص بین تجهیز متصل به Profinet‌ و کنترل‌کننده دارد. این هماهنگی هزینه دارد و ساده نیست. البته امکان پیاده‌سازی همهٔ شرایط در سامانهٔ افزونگی ساده نیست به همین دلیل فقط برخی تجهیزات و کنترل‌کننده‌های خاص امکان افزونگی را دارند.
انواع افزونگی با شبکهٔ Profinet و اختصارات آن
در تعریف افزونگی با شبکهٔ Profinet کلمات کلیدی S1, S2, R1, R2 استفاده می‌شود که برای کمتر کسی معنی این اختصارات مشخص است. در این نوشتار سعی شده‌است که مفهوم این کلمات توضیح داده شود.
افزونگی شبکه به معنای ارتباط چندگانه به یک تجهیز یا کنترل‌کننده برای حفظ پایداری شبکه در هنگام از کارافتادن یک بخش آن است. در این توضیحات از کلمهٔ NAP برای این ارتباط شبکه‌ استفاده خواهد شد. در حقیقت از مخفف NAP برای درگاه تجهیز متصل به شبکهٔ Profinet استفاده می‌شود.
در پایداری شبکهٔ Profinet یا به اصطلاح زنده نگه‌داشتن ارتباط در صورت از کارافتادن یکی از مسیرها دو درجهٔ آزادی وجود دارد: داشتن سخت‌افزارافزونگی که با یک ارتباط افزونگی منطقی (logical) به هم متصل هستند. معنی افزونگی منطقی این است که توسط قابلیت‌های یک پروتکل و تنظیمات نرم‌افزاری، یک شبکه قادر است که تبادل اطلاعات را در صورت از کار‌افتادن یک مسیر از مسیر دیگری ادامه دهد.
اختصارات اشاره شده با توجه به مطالب گفته‌شده به این صورت تعریف می‌شوند: S‌ مخفف Single و R به جای Redundant برای تعداد NAP استفاده می‌شود. اعداد بعد از این دوکلمه نشان‌دهندهٔ تعداد AR است که این NAP را پشتیبانی می‌کنند. AR‌ می‌تواند CPUهای یک PLC ولی با یک برنامه یکسان باشد (مانند حالت افزونگی درCPU). در شکل ۲ مفهوم S1 و S2 نشان داده شده است.

شکل ۲ – تفاوت S1 و S2
در S1 و S2 افزونگی شبکه با یک عدد NAP است. S1 دارای هیچ‌گونه افزونگی نیست در حالی که در S2 ساده‌ترین حالت افزونگی درارتباط وجود دارد.
در حالت S2 تجهیز متصل به شبکه از یک افزونگی سادهٔ شبکه بهره‌مند است که در اکثر موارد کافی است ولی در صورت از کارافتادن NAP دیگر امکان کارکردن و تبادل داده‌ها با AP های بالادستی خود را ندارد. در این مواقع نوع R1 می‌تواند جوابگو باشد. در این حالت یک AR دو یا چند NAP‌ را پشتیبانی می‌کند (بخش سمت چپ شکل۳). R2 بر اساس ساختار R1 بوده و افزونگی بیشتری را نسبت به R1 ارائه می‌دهد.

شکل ۳- تفاوت R1 و R2
همان‌طوریکه در شکل ۳ دیده می‌شود R1 از نظر کارکرد همان S2 است با این تفاوت که از دو NAP به جای یک عدد استفاده شده است. R2 بالاترین سطح افزونگی را در حال حاضر ارائه می‌دهد. به علت پیچیدگی فنی، ساختار R2 کمترین استفاده در صنعت برای ارائه افزونگی دارد و بیشترین انواع افزونگی استفاده شده S2 و R1 هستند.