تقنية Ethernet-APL في الصناعة 4.0

مقدمة

تُعد Ethernet-APL (الطبقة المادية المتقدمة) إحدى أهم تقنيات الاتصال التي تقود التحول الرقمي لأنظمة أتمتة العمليات.

تقنيات ناقل المجال الصناعي التقليدي مثل:

• هارت
• PROFIBUS PA
• ناقل الأساس الميداني

صُممت في الأصل لبيئات الاتصالات الصناعية ذات النطاق الترددي المنخفض. على الرغم من أن هذه التقنيات وفرت اتصالات عملية موثوقة لسنوات عديدة، إلا أنها تكافح بشكل متزايد لتلبية متطلبات البيانات الخاصة ببنى الصناعة 4.0 الحديثة.

تكمن القيمة الحقيقية لتقنية Ethernet-APL في كيفية تمكين اتصالات Ethernet الصناعية عالية السرعة:

• الوصول إلى البيانات الصناعية في الوقت الحقيقي
• الاتصالات الميدانية ذات النطاق الترددي العالي
• تكامل الأجهزة الذكي
• التشخيص المتقدم
• حوسبة الحافة
• الاتصال السحابي
• الاتصال الآمن بين المستشعر ووحدة التحكم

لم تعد الأجهزة الصناعية الحديثة تقتصر على نقل متغيرات العمليات البسيطة. يحول Ethernet-APL الأجهزة الميدانية إلى عقد بيانات صناعية ذكية قادرة على دعم أنظمة الأتمتة الرقمية المتقدمة.

تُعد Ethernet-APL جزءًا واحدًا من اللغز لمثل هذه الشبكة المتقاربة، حيث تدعم بروتوكولات الوقت الحقيقي المختلفة مثل PROFINET وEtherNet/IP وHART-IP بالإضافة إلى بروتوكول البرمجيات الوسيطة OPC UA.

1. تاريخ تقنية Ethernet-APL وتطورها

كان الدافع وراء تطوير تقنية Ethernet-APL هو الحاجة المتزايدة لإدخال Ethernet الصناعية مباشرةً في بيئات أتمتة العمليات الخطرة.

واجهت تقنيات الإيثرنت التقليدية العديد من القيود في الصناعات التحويلية لأن البنية التحتية للإيثرنت القياسية لم تكن مصممة من أجل:

• مسافات الكابلات الطويلة
• البيئات الآمنة جوهرياً
• الأجهزة الميدانية ذات السلكين
• الظروف الصناعية القاسية

مع تطور هياكل الصناعة 4.0، تطلبت أنظمة الأتمتة الصناعية بيانات من الأجهزة الميدانية أكثر بكثير مما يمكن أن توفره أنظمة ناقل المجال التقليدية.

ولمعالجة هذه القيود، أُنشئ “مشروع الألغام الأرضية المضادة للأفراد” في عام 2018.

تم تأسيس اتفاقية تطوير تقنية Ethernet-APL في إطار “مشروع إيثرنت-APL” في عام 2018 بدعم من منظمات تطوير معايير الصناعة الرائدة (SDOs):

• مجموعة فيلد كوم
• ODVA
• مؤسسة OPC
• PROFIBUS & PROFINET الدولية

كما تم دعم المشروع من قبل شركات الأتمتة الصناعية الكبرى بما في ذلك:

• ABB
• إيمرسون
• إندريس+هاوزر
• كروهن
• بيبرل+فوكس
• فينيكس كونتاكت
• R. ستال
• روكويل أوتوميشن
• شمشون
• سيمنز
• فيجا
• يوكوجاوا

صُممت Ethernet-APL خصيصًا لإدخال إمكانية Ethernet في أجهزة مجال المعالجة مع الحفاظ على

• السلامة الجوهرية
• الاتصال عن بُعد
• تشغيل بسلكين
• تكامل الطاقة والاتصالات

اليوم، أصبحت Ethernet-APL إحدى تقنيات التمكين الرئيسية وراء أتمتة العمليات الرقمية.

2. المبدأ التقني الأساسي لشبكة إيثرنت-APL

تعتمد Ethernet-APL على تقنية Ethernet أحادية الزوج (SPE) المحسّنة لبيئات أتمتة العمليات.

تتيح هذه التقنية:

• توصيل الطاقة
• اتصال Ethernet
• الإرسال لمسافات طويلة

من خلال كابل واحد بسلكين.

على عكس بنيات الإيثرنت التقليدية التي تتطلب أزواجًا سلكية متعددة ومسافات كبلات قصيرة نسبيًا، فإن Ethernet-APL مُحسَّن من أجل:

• مسارات الكابلات الصناعية الطويلة
• المناطق الخطرة
• المنشآت الآمنة جوهرياً
• أجهزة القياس على المستوى الميداني

سرعة اتصال Ethernet-APL هي:

$10ميجابت/ثانية$

ويمثل معدل البيانات هذا قفزة تكنولوجية كبيرة مقارنةً بتقنيات ناقل المجال العملياتي التقليدي.

3. لماذا تعتبر Ethernet-APL ترقية تكنولوجية كبيرة

تم تصميم أنظمة ناقل مجال العمليات التقليدية في المقام الأول لنقل متغيرات العملية الأساسية مثل:

• الضغط
• درجة الحرارة
• المستوى
• التدفق

ومع ذلك، تتطلب أنظمة الصناعة 4.0 الحديثة بشكل متزايد:

• تشخيصات عالية الدقة
• مراقبة صحة الجهاز
• بيانات الصيانة التنبؤية
• التحليلات المتقدمة
• التكوين عن بُعد
• مراقبة الأصول في الوقت الحقيقي

تكافح تقنيات ناقل المجال التقليدي منخفض السرعة لدعم هذه المتطلبات المتقدمة.

4. Ethernet-APL مقابل PROFIBUS PA و HART

وفقًا لما ذكره توني ميرتالا في

ethernet apl -tekniikan käyttönotto 800xa-järjestelmässä ja pa-laitteiden integroiminen-seus

إيثرنت APL: n مرتبطة ب 10 ميجابت/ثانية على 300 كيلو متر مكعب في الثانية على سبيل المثال لا الحصر.

من من منظور أتمتة العمليات، يعد هذا إنجازاً تكنولوجياً كبيراً.

لم تكن أنظمة HART و PROFIBUS PA التقليدية مصممة أبدًا لنقل كميات كبيرة من البيانات التشخيصية والتشغيلية بشكل مستمر.

يتيح عرض النطاق الترددي الأعلى بشكل ملحوظ للأجهزة الميدانية للإيثرنت-APL إمكانية الإرسال للأجهزة الميدانية:

• التشخيص المتقدم
• معلومات حالة الجهاز
• تحليلات العمليات
• بيانات الشكل الموجي
• معلومات الصيانة التنبؤية
• تحديثات القياس عالية التردد

في الوقت الفعلي.

تنص الأطروحة كذلك على ما يلي:

“Ethernet APL: nopean nopean tiedonsiirron ansiosta kenttälaitteilta saadaan entistämän tietoa, jota vacaan hyödyntää.”

وهذا يعكس إحدى المزايا الأساسية لتقنية Ethernet-APL:

لم تعد الأجهزة الميدانية تقتصر على نقل القياس البسيط. فقد أصبحت الأجهزة مصادر معلومات صناعية ذكية للمعلومات الصناعية.

تنص المقالة أيضًا على ما يلي:

“لا يزال بإمكانك استخدام بروفيبوس PA -kenttälaitteete eivät mahdollista tämän lisätidon hyödyntämistä.”

يسلط هذا الضوء على أحد القيود الرئيسية لأنظمة ناقل المجال التقليدية في بيئات الصناعة 4.0.

وأخيراً، تخلص الأطروحة إلى ما يلي

“Tämän tämän takia Ethernet APL -teknologia tuleekin väarmasti korvaamaan Profibus PA -kentäväväylän ja muut vanhemmat väylätekniikat tulevaisuudessa.”

من من منظور تطور التكنولوجيا، تمثل Ethernet-APL الانتقال من:

• الاتصالات الميدانية التقليدية
• أجهزة القياس ذات النطاق الترددي المنخفض
• شبكات العمليات المعزولة

نحو:

• بنيات الإيثرنت الموحدة
• مصانع رقمية ذكية
• النظم البيئية للبيانات الصناعية في الوقت الحقيقي

5. دعم البروتوكول الصناعي في الوقت الحقيقي

إحدى أهم نقاط القوة في Ethernet-APL هي القدرة على تقارب البروتوكول.

يدعم Ethernet-APL العديد من بروتوكولات الاتصالات الصناعية في آن واحد، بما في ذلك:

• بروفينيت
• إيثرنت/IP
• HART-IP
• OPC UA

وهذا يمكّن مصانع المعالجة من بناء بنى تحتية صناعية موحدة لشبكة إيثرنت الصناعية قادرة على التكامل:

• الأجهزة الميدانية
• وحدات التحكم
• أنظمة SCADA
• المنصات السحابية
• أجهزة الحافة
• أنظمة إدارة الأصول

يعد دعم OPC UA مهمًا بشكل خاص لأنه يتيح:

• قابلية التشغيل البيني الصناعي الموحد
• التبادل الآمن للبيانات
• تكامل إنترنت الأشياء الصناعي القابل للتطوير
• التواصل عبر المنصات المتعددة

6. تحديات الأمن السيبراني في شبكات Ethernet-APL

نظرًا لأن Ethernet-APL تربط الأجهزة الميدانية مباشرةً بشبكات المصانع القائمة على Ethernet، تزداد أهمية الأمن السيبراني.

وفقاً لـ

نيمان، كارل هاينز، وسيمون ميركلين. 2022.
“متطلبات أمان التكنولوجيا التشغيلية للأجهزة الميدانية EthernetAPL : يمكن أن يؤدي التغيير التكنولوجي إلى تحسين الحماية.”
atp Magazin 63 (5).

أظهرت الورقة أن أجهزة Ethernet-APL الميدانية عرضة للهجمات المحتملة.

تنص الورقة على ما يلي:

“توفر بنية الشبكة المسطحة للمهاجمين وصولاً سهلاً نسبيًا إلى الأجهزة لأنها متصلة مباشرة بشبكة المصنع.”

على عكس أنظمة ناقل المجال التقليدية المعزولة، تعمل أجهزة Ethernet-APL داخل البنى التحتية للإيثرنت الصناعية عالية الاتصال بشبكة إيثرنت.

وهذا يزيد من أهمية:

• تجزئة الشبكة
• المصادقة
• التشفير
• حماية سلامة الجهاز
• بروتوكولات الاتصال الآمن

متطلبات الاتصال الآمن

وتوضح الورقة كذلك:

“لذلك ستكون هناك حاجة إلى اتصالات آمنة لأجهزة Ethernet-APL.”

و:

“تنطبق متطلبات الأمان الخاصة بمكونات الأتمتة، كما هو موضح في المواصفة IEC 62443-4-2 على أجهزة وحدة التحميل الآلي للقطع الآلي للقطع الآلية.”

هذا يعني أنه يجب التعامل مع الأجهزة الميدانية Ethernet-APL بنفس الطريقة التي يتم التعامل بها مع

• وحدات التحكم
• أنظمة الإدخال/الإخراج عن بُعد
• البنية التحتية للشبكة الصناعية

بدلاً من الأدوات الميدانية السلبية البسيطة.

تكامل البيانات من المستشعر إلى وحدة التحكم

تتمثل إحدى أهم المزايا التكنولوجية لإيثرنت-APL في إمكانية الاتصال الآمن من طرف إلى طرف.

تنص الورقة على ما يلي:

“باستخدام بروتوكول اتصال آمن، من الممكن لأول مرة حماية سلامة وموثوقية قيم المستشعر من المستشعر إلى وحدة التحكم، وهو أمر غير ممكن حاليًا مع HART أو PROFIBUS PA.”

يمثل هذا تقدمًا كبيرًا في الصناعة 4.0 لأنه يمكن الآن التحقق من قيم قياس العمليات بشكل آمن عبر بنية الأتمتة بأكملها.

تتزايد أهمية هذا الأمر بالنسبة لـ

• العمليات الحرجة للسلامة
• تصنيع المستحضرات الصيدلانية
• إنتاج المواد الكيميائية
• أنظمة الطاقة
• بيئات التوأم الرقمي

هيكلية الدفاع في العمق

توصي الورقة أيضاً بما يلي:

“يجب استخدام مفهوم الدفاع في العمق لحماية منطقة المصنع من الهجمات من الخارج.”

تتطلب بنيات Ethernet-APL الحديثة بشكل متزايد:

• جدران الحماية
• بوابات آمنة
• تجزئة الشبكات المحلية الافتراضية (VLAN)
• كشف التسلل
• الاتصالات المشفرة
• مصادقة آمنة للأجهزة

لحماية البنية التحتية للأتمتة الصناعية.

تكامل أمان الأجهزة

وتوصي الورقة كذلك بأن تقوم الشركات المصنعة بما يلي:

“حجز الموارد الكافية في أجهزتهم (الذاكرة، قوة الحوسبة، وربما عنصر آمن مثل وحدة منصة موثوقة أو ما شابه ذلك).”

وهذا يعكس تطورًا تكنولوجيًا كبيرًا في الأجهزة الصناعية.

من المتوقع أن تتكامل الأجهزة الميدانية المستقبلية بشكل متزايد:

• وحدات أمان الأجهزة
• وحدات النظام الأساسي الموثوق بها (TPM)
• بنيات التمهيد الآمن
• معالجات التشفير المدمجة

مباشرة داخل الأدوات الصناعية.

7. كيف تعزز Ethernet-APL وظائف الأداة

إيثرنت-APL تغيّر التكنولوجيا قدرات الأجهزة الميدانية الصناعية بشكل جذري.

اتصال عالي السرعة يتيح التشخيص المتقدم

يسمح عرض النطاق الترددي المتزايد للأجهزة الميدانية بتوفير:

• التشخيص في الوقت الحقيقي
• مراقبة صحة الجهاز
• تحليل الشكل الموجي المتقدم
• بيانات الصيانة التنبؤية
• تحليلات تشغيلية مفصلة

وهذا يحسن بشكل كبير من رؤية المصنع والذكاء التشغيلي.

تعمل بنية الإيثرنت الموحدة على تبسيط عملية التكامل

تسمح Ethernet-APL للأجهزة الميدانية بالاندماج مباشرةً في الأنظمة الصناعية القائمة على Ethernet.

وهذا يبسِّط الأمر:

• بنية شبكة المصنع
• تكامل البيانات
• الوصول عن بُعد
• الاتصال السحابي
• اتصالات SCADA

البيانات في الوقت الحقيقي تحسن من قدرة الأتمتة

يتحسن الاتصال الميداني عالي السرعة:

• استجابة العملية
• دقة الأتمتة
• التحسين في الوقت الحقيقي
• التحكم المتقدم في العمليات

وهذا يتيح أنظمة أتمتة صناعية أكثر ذكاءً.

8. تطور الصناعة 4.0 تطور إيثرنت-APL الصناعة 4.0

تُعد Ethernet-APL إحدى التقنيات الأساسية التي تمكّن هياكل أتمتة العمليات الصناعية 4.0.

تدعم أنظمة Ethernet-APL الحديثة بشكل متزايد:

• الاتصال السحابي
• حوسبة الحافة
• التحليلات القائمة على الذكاء الاصطناعي
• الصيانة التنبؤية
• التوائم الرقمية
• مراقبة المصنع عن بُعد
• الإدارة الذكية للأصول

تتطور الأجهزة الميدانية من أجهزة قياس معزولة إلى عقد شبكة صناعية ذكية.

تكامل الحافة والسحابة

تتيح Ethernet-APL التكامل المباشر بين:

• الأجهزة الميدانية
• منصات الحوسبة الطرفية
• أنظمة التحليلات السحابية
• تطبيقات الذكاء الاصطناعي الصناعي

وهذا يحسن بشكل كبير من إمكانية الوصول إلى البيانات الصناعية.

تكامل التوأم الرقمي

تتطلب أنظمة التوأم الرقمي الحديثة بشكل متزايد:

• بيانات الجهاز في الوقت الحقيقي
• التشخيص المستمر
• تحديثات العملية عالية التردد

يوفر Ethernet-APL عرض النطاق الترددي وقابلية التشغيل البيني اللازمين لدعم هذه البنى المتقدمة.

9. اتجاهات التطوير المستقبلية لشبكة إيثرنت-APL

من المتوقع أن تتطور تقنيات Ethernet-APL المستقبلية نحو:

• تكامل أعلى للأمن السيبراني
• تشخيص الشبكات بمساعدة الذكاء الاصطناعي
• إدارة الجهاز المستقل
• اتصالات صناعية متطورة-أصلية
• محطات إيثرنت متقاربة بالكامل
• الشبكات الصناعية المعرفة بالبرمجيات

قد تتكامل الأجهزة الميدانية الصناعية المستقبلية بشكل متزايد:

• معالجات الذكاء الاصطناعي المدمجة
• عناصر الأجهزة الآمنة
• البنى ذاتية التشخيص
• خوارزميات التحسين الذاتي

من المتوقع أن يصبح Ethernet-APL أحد البنى التحتية المهيمنة للاتصالات لأنظمة أتمتة العمليات من الجيل التالي.

الخاتمة

تمثل تقنية Ethernet-APL أحد أهم التطورات في مجال الاتصالات في أتمتة العمليات الحديثة.

تكمن القيمة الحقيقية لشبكة Ethernet-APL في كيفية تحويل اتصالات Ethernet الصناعية عالية السرعة للأجهزة الميدانية إلى أجهزة أتمتة رقمية ذكية قادرة على دعم:

• الاتصالات الصناعية في الوقت الحقيقي
• التشخيص المتقدم
• نقل آمن للبيانات من المستشعر إلى وحدة التحكم
• تكامل الصناعة 4.0
• الاتصال السحابي
• التحليلات القائمة على الذكاء الاصطناعي

مقارنةً بأنظمة ناقل المجال التقليدية مثل HART و PROFIBUS PA، توفر Ethernet-APL نطاقًا تردديًا أعلى للاتصالات بشكل كبير مع تمكين بنية إيثرنت صناعية آمنة وقابلة للتطوير وموحدة.

مع استمرار تطور تقنيات الصناعة 4.0، من المتوقع أن تصبح إيثرنت-APL إحدى تقنيات الاتصال الأساسية وراء أنظمة أتمتة العمليات الذكية.