شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN با نرم افزار OMNET

در این بخش پروژه شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با فریم ورک Castalia و نرم افزار OMNET آماده کرده ایم که در ادامه به معرفی سناریو پروژه و پروتکل WirelessHART و تصاویر خروجی پروژه قرار داده شده است.

سناریو شبیه سازی

برای شبیه سازی پروتکل WirelessHART از نرم افزار OMNET++ نسخه ۴٫۶ و ابزار Castalia نسخه ۳٫۲ استفاده شده است. توپولوژی این شبکه دارای ۱۶ گره می باشد که این ۱۶ گره شروع به ارسال اطلاعات با پروتکل فوق می کنند و سپس تعداد ۶ گره از آن حدف شده و دوباره شبیه سازی انجام گرفته است. ناحیه در نظر گرفته شده برای شبیه سازی یک ناحیه ۲۰۰ متر در ۲۰۰ متر است که بر اساس آن به تحلیل خروجی های سیستم پرداخته شده است.

معرفی پروتکل WirelessHART

یکی از پیشرفت های مهم در ابزار دقیق صنعتی، استاندارد ارتباط رادیویی wirelessHART است که برای استفاده در دستگاه هایی ترانسمیترها، پوزیشنر ولوها و غیره طراحی شده است. پروتکل WirelessHART یا HART بی سیم زیر مجموعه ای از استاندارد ارتباطی دستگاه های صنعتی HART است که به ورژن ۷ معروف است. در این استاندارد (Highway Addressable Remote Transducer Protocol – HART) ارتباطات تمام گره ها یا نودها با یک دستگاه Gateway مشترک، به صورت تکی برقرار می شود.

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

دستگاه Gateway به عنوان رابط میان شبکه بی سیم (Wireless Networks) یا به عنوان یک سیستم کنترل میزبان عمل می کند. همچنین، دستگاه های که از پروتکل wirelessHART استفاده می کنند نیز بین یکدیگر شبکه ارتباطی مخصوصی تشکیل می دهند، به این صورت که مسیرهای داده شبکه به یک تور یا مش (Mesh) شباهت دارد که در آن تمام گره های (Nodes) نزدیک، علاوه بر اتصال با Gateway به یکدیگر نیز متصل هستند.

در زمان برنامه ریزی یک شبکه wirelessHART عمر باتری (طول عمر شبکه) یکی از مهم ترین ملاحظات در نظر گرفته می شود که می باست بسایر مورد توجه قرار گیرد. باتری های لیتیوم (Lithium Battery) که عمری چندین ساله دارند، در دستگاه های wirelessHART به عنوان منبع توان اولیه مورد استفاده قرار می گیرند. مقدار انرژی مورد نیاز یک دستگاه wirelessHART به منظور مخابره اطلاعات، به مراتب کمتر از انرژی مورد نیاز جهت انجام وظایف اصلی دستگاه مثل اندازه گیری فشار، اندازه گیری دما و غیر  است. در واقع عمکرد تکرار کننده رادیویی دستگاه های wirelessHART انرژی کمتری را از باتری می گیرد.

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

پروتکل wirelessHART در صنعت نفت و گاز

پروتکل wirelessHART به عنوان اولین پروتکل ارتباطی بی سیم ویژه فرآیند های صنعتی ، هم اکنون به عنوان پروتکل غالب در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت و گاز مورد استفاده قرار می گیرد. پیاده سازی بهینه یک پروتکل در سیستم صنعتی بدون در نظر گرفتن ملزومات و چالش های کنترل فرآیند ممکن نیست چراکه پیاده سازی این پروتکل در یک شبکه بی سیم صنعتی برای بسیاری از مولفه های مهم شبکه همچون مصرف توان ، پایداری و غیره تاثیرگذار خواهد بود. از این رو وجود ابزاری به منظور برآورد توانایی های این پروتکل قبل از پیاده سازی واقعی شبکه که مستلزم صرف وقت و هزینه بالایی می باشد ، ضروری به نظر می رسد.

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

فریم ورک Castalia در نرم افزار OMNET

فریم ورک کاستالیا (Castalia) یک شبیه ساز شبکه ‌های حسگر بی ‌سیم (Wireless Sensor Network – WSN)، شبکه‌ های محلی و به طور کلی شبکه ‌هایی با دستگاه‌ های تعبیه شده کم توان می باشد. این ابزار شبیه ساز بر اساس بسترهای نرم افزار OMNeT++ توسعه یافته و می ‌تواند برای آزمایش الگوریتم‌ های توزیع شده، پروتکل ‌ها با کانال‌ های بی‌ سیم واقع بینانه و مدل ‌های رادیویی با رفتار گره‌ های واقع بینانه توسط محققان و توسعه دهندگان مورد استفاده قرار گیرد. از آن جایی که شبیه ساز Castalia از ماژول ‌های مختلفی تشکیل شده که هر ماژول دارای پارامترهای بسیاری را شامل می شود، می ‌تواند برای ارزیابی خصوصیت‌ های شبکه‌ های مختلف برای کاربرد های خاص و شبیه سازی طیف گسترده ‌ای از شبکه ‌ها مورد استفاده قرار گیرد. علیرغم تلاش هایی که تا کنون در زمینه مدل سازی و شبیه سازی پروتکل wirelessHART صورت گرفته، تا کنون هیچ پروژه ای که به ارزیابی این پروتکل در صنایع نفت و گاز با نرم افزار Castalia اختصاص داشته باشد، پیاده سازی نشده است.

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

تحلیل و کنترل شبکه در صنعت نفت و گاز

سیستم های کنترل صنایع نفت و گاز از بسیاری جهات با سیستم های کنترل متداول، تفاوت دارند. این سیستم ها معمولا در مناطق دور افتاده قرار گرفته اند و در معرض شرایط نامناسب محیطی هستند. با توجه به ارزش افزوده بالای صنایع نفت و گاز ، هر گونه خلل و تاخیر در سیستم می تواند منجر به خسارات هنگفت اقتصادی شود. بنابراین ممکن است یک سیستم کنترل که در بسیاری کاربردها توجیه اقتصادی ندارد در صنایع نفت و گاز مقرون به صرفه باشد. بنابراین برای تحلیل شبکه های کنترل بی سیم در صنایع نفت و گاز ، شبیه ساز بایستی قادر باشد وضعیت سیستم را در صورت قطع ارتباط یک یا چند گره از شبکه تحلیل کند.

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

کنترل میزان مصرف انرژی در شبکه

آگاهی از میزان مصرف توان و پیش بینی زمان اتمام باتری یک گره ، قبل از قطع شدن ارتباط  و ایجاد خلل در سیستم ، ضروری می باشد. از طرفی طیف گسترده تری از سنسورها و کنترل کننده ها در صنایع نفت و گاز وجود دارند و حجم شبکه در برخی کاربردها می تواند بسیار گسترده باشد. از این رو شبیه ساز بایستی قادر به شبیه سازی و تحلیل شبکه های گسترده و چند پرشی باشد.

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

همچنین ممکن است شبکه حسگر بی سیم (WSN) مورد نظر در محیطی پیاده سازی شده باشد که با طیف گسترده ای از شبکه های متداول و بی سیم دیگر با پروتکل های متفاوت، در ارتباط باشد. به همین دلیل قابلیت برآورد میزان و تاثیر اختلالات ناشی از شبکه های بی سیم دیگر در محیط می تواند مفید باشد. با توجه موارد ذکر شده، در این پروژه سعی بر این است به به کمک ابزار Castalia در محیط نرم افزار OMNET عملکرد شبکه های حسگر بی سیم با پروتکل Wireless HART در صنعت نفت و گاز تحلیل شود.

تصاویر خروجی پروژه

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

نمودار ۱: توان مصرفی برای حالتی که ۱۶ گره حسگر در شبکه وجود دارد

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

نمودار میزان تاخیر ارسال بسته ها با ۱۶ گره حسگر در شبکه

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

نمودار توان مصرفی برای حالتی که ۱۰ گره حسگر در شبکه وجود دارد (۶ گره جذف شده است)

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

نمودار میزان تاخیر ارسال بسته ها با ۱۰ گره حسگر در شبکه (۶ گره حذف شده است)

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

نمودار مقایسه توان مصرفی در حالت حذف گره و حالت بدون حذف گره

شبیه سازی پروتکل WirelessHART در شبکه WSN برای صنعت نفت و گاز با OMNET

نمودار مقایسه تاخیر ارسال بسته در حالت حذف گره و حالت بدون حذف گره


مشاهده ویدئو در این باره

خوشحال خواهیم شد اگر نظر خودتون رو درباره این مطلب ثبت کنید

خطا!دکمه ریفریش را بزنید