بروتوكولات الاتصال المدعومة

Modbus (RTU / TCP)

الغرض والوصف

بروتوكول صناعي بسيط وواسع الانتشار لتبادل بيانات العمليات بين وحدات التحكم وأجهزة الاستشعار وأجهزة التشغيل. طوّرته شركة Modicon (المعروفة حاليًا باسم Schneider Electric) عام 1979، وأصبح المعيار الفعلي لأتمتة العمليات الصناعية. يُستخدم في أنظمة SCADA ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ومحركات التردد المتغير وأجهزة القياس وأجهزة الاستشعار. وبفضل بساطة تنفيذه وحاجته الدنيا إلى موارد حاسوبية، يُعدّ البروتوكول مثاليًا للأنظمة المضمَّنة والأجهزة ذات الذاكرة المحدودة.

البنية ونموذج البيانات

يقوم نموذج البيانات المعتمد على المسجلات على أربعة أنواع من فضاء العناوين:

• Coils (0x) — مخارج منفصلة (قراءة/كتابة قيم بِتّية)
• Discrete Inputs (1x) — مداخل منفصلة (للقراءة فقط)
• Input Registers (3x) — مسجلات إدخال بطول 16 بِت (للقراءة فقط)
• Holding Registers (4x) — مسجلات احتفاظ بطول 16 بِت (قراءة/كتابة)

بنية عميل-خادم (سيد-تابع): يبدأ الجهاز السيد الطلبات، ويستجيب الأتباع. ولكل جهاز تابع عنوان فريد (1–247). لا يحتوي البروتوكول على دلالات بيانات مدمجة — إذ يُعرَّف تفسير قيم المسجلات على مستوى التطبيق وفي وثائق الجهاز. يدعم عمليات القراءة والكتابة لمسجل واحد ولمسجلات متعددة.

النقل

Modbus RTU:

• خطوط تسلسلية RS-485 (حتى 32 جهازًا على الناقل الواحد، بمسافة تصل إلى 1200 م) أو RS-232 (اتصال نقطة بنقطة)
• تمثيل ثنائي للبيانات
• التحقق من السلامة عبر CRC-16
• معدل النقل: من 1200 إلى 115200 بود
• نقل بنصف ازدواج (half-duplex)

Modbus TCP:

• تغليف إطارات Modbus داخل TCP/IP (المنفذ 502)
• ترويسة MBAP (Modbus Application Protocol) لتعريف المعاملات
• نقل بازدواج كامل (full-duplex)
• إمكانية العمل مع أجهزة متعددة في آنٍ واحد
• لا حاجة إلى مجموع تدقيق (الموثوقية يوفرها TCP)

القدرات الرئيسية

• قراءة وكتابة الإشارات المنفصلة (Coils) والمسجلات
• دعم رموز الدوال القياسية (FC 01–06، 15–16، 23)
• دوال التشخيص (FC 08)
• قراءة بيانات تعريف الجهاز (FC 17، 43)
• حاجة دنيا إلى الموارد الحاسوبية للأجهزة
• بساطة التنفيذ والتنقيح
• تكلفة تنفيذ منخفضة
• معالجة الاستثناءات ورموز الأخطاء
• دعم رسائل البث العام (العنوان 0) في RTU
• قابلية التوسع حتى 247 جهازًا على الخط الواحد (RTU) أو بلا حدود عبر TCP

OPC UA

الغرض والوصف

معيار عالمي متعدد المنصات (OPC Unified Architecture، IEC 62541) للتبادل الآمن والمنظَّم للبيانات الصناعية وبيانات الوصف والمعلومات الدلالية. طوّرته مؤسسة OPC Foundation خلَفًا لمواصفات OPC DA/AE/HDA الكلاسيكية، مزيلًا الاعتماد على تقنيات Microsoft DCOM. يتيح التكامل العمودي والأفقي في الأنظمة الصناعية — من مستوى الميدان وصولًا إلى نظم المعلومات المؤسسية (ERP، MES). ويدعم مفاهيم الصناعة 4.0 والتوأم الرقمي بفضل قدراته الغنية على نمذجة المعلومات.

البنية ونموذج البيانات

نموذج بيانات كائني التوجّه يمثّل المعلومات على شكل فضاء عقد قابل للعنونة (Address Space):

• عقد (Nodes) من أنواع مختلفة: Variable، Object، Method، View، DataType، ReferenceType
• سمات العقدة: Value، DataType، AccessLevel، Timestamp، Quality، DisplayName، وغيرها
• مراجع (References) بين العقد: هرمية، وترابطية، ومبنية على المكونات
• أنواع البيانات: قيم أولية، وهياكل، ومصفوفات، وتعدادات

الخدمات المدعومة:

• Subscription — مراقبة تغير البيانات مع فترات أخذ عينات ومرشحات قابلة للتهيئة
• Events & Alarms — إشعارات غير متزامنة بالأحداث والإنذارات والحالات
• Historical Access — الوصول إلى البيانات والأحداث المؤرشفة
• Methods — استدعاء الإجراءات عن بُعد على الأجهزة

نماذج معلومات خاصة بالقطاعات (Companion Specifications): الهندسة الميكانيكية، والطاقة، والنفط والغاز، والمستحضرات الصيدلانية.

النقل

بروتوكول UA الثنائي فوق TCP/IP:

• بروتوكول ثنائي بتسلسل مُحسَّن (المنفذ 4840)
• أداء عالٍ وحمل إضافي ضئيل

HTTPS / SOAP:

• ملف تعريف خدمات الويب للتكامل مع نظم المؤسسات
• ترميز JSON للتطبيقات السحابية

OPC UA PubSub:

• نموذج ناشر-مشترك للأنظمة الموزعة
• النقل: UDP Multicast، MQTT، AMQP، Ethernet TSN
• نقل حتمي للتطبيقات الحرجة زمنيًا

الأمان:

• أوضاع أمان متعددة المستويات (None، Sign، SignAndEncrypt)
• شهادات X.509 للمصادقة
• تشفير AES وRSA

القدرات الرئيسية

• نمذجة المعلومات: نقل ليس مجرد قيم «خام» بل بيانات معقدة منظَّمة ذات دلالات وأنواع وبيانات وصفية
• الاشتراكات مع فترات استطلاع قابلة للتهيئة، ومرشحات نطاق ميت (deadband)، وتخزين مؤقت
• الأحداث ونظام الإنذارات مع ترشيح شرطي
• استدعاء الإجراءات للتحكم في الأجهزة وتنفيذ العمليات
• الوصول إلى البيانات التاريخية مع التجميع
• اكتشاف الخدمات في الشبكات المحلية
• أمان مدمج: تشفير القنوات، والمصادقة المعتمدة على الشهادات أو على اسم المستخدم/كلمة المرور، والتحكم في الوصول على مستوى العقدة
• التكرار وتحمّل الأعطال للخادم
• متعدد المنصات: Windows وLinux وVxWorks وQNX وأنظمة تشغيل أخرى
• قابلية التوسع: من المتحكمات الدقيقة إلى الأنظمة الموزعة

MQTT

الغرض والوصف

بروتوكول مراسلة خفيف الوزن (Message Queuing Telemetry Transport) للقياس عن بُعد والمراقبة عن بُعد وإدارة أجهزة IoT، مُحسَّن للشبكات غير الموثوقة وعرض النطاق المحدود وزمن الوصول المرتفع. طوّرته شركة IBM عام 1999 لمراقبة خطوط أنابيب النفط، ووُحِّد معياريًا من قِبَل OASIS وISO/IEC (20922:2016). يُستخدم على نطاق واسع في IoT الصناعي والمنازل الذكية وأنظمة المعلوماتية المرورية للمركبات وتطبيقات الأجهزة المحمولة. ويركّز البروتوكول على تقليل حركة مرور الشبكة واستهلاك الطاقة في الأجهزة.

البنية ونموذج البيانات

نموذج النشر/الاشتراك (Publish/Subscribe) غير المتزامن مع وسيط مركزي:

• Publisher — جهاز أو تطبيق ينشر الرسائل إلى المواضيع
• Subscriber — جهاز أو تطبيق يشترك لتلقي الرسائل من المواضيع
• Broker — خادم مركزي لتوجيه الرسائل (Mosquitto، HiveMQ، EMQ X، وغيرها)

المواضيع (Topics) — بنية مسار هرمية لتصنيف الرسائل:

• فواصل المستويات: / (مثال: factory/building1/temperature)
• محارف البدل: + (مستوى واحد)، # (مستويات متعددة)
• مثال على الاشتراك: sensors/+/temperature أو factory/#

تنسيق البيانات يحدده التطبيق: JSON، أو Protocol Buffers، أو XML، أو بيانات ثنائية، أو نص.
الرسائل المحتفظ بها (Retained messages): يخزّن الوسيط آخر رسالة لموضوع ما ويسلّمها للمشتركين الجدد.
الجلسات الدائمة (Persistent sessions): يحفظ الوسيط اشتراكات العميل عند قطع الاتصال.

النقل

• طبقة النقل: TCP/IP (المنفذ 1883 للاتصالات غير المؤمَّنة)
• TLS/SSL (المنفذ 8883) للتشفير والمصادقة
• WebSockets للتكامل مع المتصفحات وتطبيقات الويب
• إصدارات البروتوكول: MQTT 3.1.1 (الأكثر شيوعًا)، MQTT 5.0 (مزايا موسَّعة)
• حجم الترويسة: 2 بايت كحد أدنى (ترويسة ثابتة)
• آلية الإبقاء على الاتصال (keep-alive): إرسال دوري لـ PINGREQ/PINGRESP لمراقبة الاتصال
• يضمن التشغيل المعتمد على وسيط فصلَ الناشر عن المشترك، والتوسع الأفقي، والإدارة المركزية

القدرات الرئيسية

• QoS (جودة الخدمة) ثلاثة مستويات لضمان التسليم:
  • QoS 0: مرة واحدة على الأكثر (بلا إقرار)
  • QoS 1: مرة واحدة على الأقل (مع إقرار)
  • QoS 2: مرة واحدة بالضبط (مصافحة من أربع خطوات)
• حمل إضافي ضئيل على الشبكة: ترويسة ثابتة بطول 2 بايت، وترميز ثنائي فعّال
• LWT (الوصية الأخيرة، Last Will and Testament): آلية إشعار تلقائي عند قطع اتصال الجهاز غير المتوقع — ينشر الوسيط رسالة معرَّفة مسبقًا إذا أنهى العميل الجلسة بصورة غير طبيعية
• Clean Session / Persistent Session: إمكانية استعادة الاشتراكات والرسائل بعد إعادة الاتصال
• Retained Messages: توافر أحدث قيمة للمشتركين الجدد
• استهلاك منخفض للطاقة: مثالي للأجهزة التي تعمل بالبطاريات
• قابلية التوسع: دعم ملايين الاتصالات المتزامنة على عناقيد الوسطاء
• اشتراكات محارف البدل لترشيح مرن للمواضيع

DLMS / COSEM (IEC 62056)

الغرض والوصف

معيار دولي لتبادل البيانات مع عدادات المرافق: الكهرباء والغاز والماء والحرارة (Device Language Message Specification / Companion Specification for Energy Metering). طوّرته جمعية مستخدمي DLMS بالتعاون مع IEC لضمان قابلية التشغيل البيني للعدادات الذكية في أنظمة القياس والفوترة الآلية (AMBS). يتيح قراءة العدادات عن بُعد، ومراقبة جودة الطاقة، وإدارة التعريفات، واكتشاف الوصول غير المصرّح به. ويُستخدم على نطاق واسع من قِبَل مشغّلي شبكات الكهرباء، ومزوّدي المرافق، ومكاملي أنظمة الشبكة الذكية (Smart Grid).

البنية ونموذج البيانات

نموذج كائنات COSEM (Companion Specification for Energy Metering):

• تُمثَّل بيانات العداد على شكل كائنات منطقية (كائنات COSEM) ذات فئات واجهة
• رموز OBIS (Object Identification System) — معرّف بطول ستة بايتات للعنونة الشاملة للمعاملات: A-B:C.D.E*F
  • A — نوع الطاقة (1=كهرباء، 6=حرارة، 7=غاز، 8=ماء)
  • B — قناة القياس
  • C — الكمية الفيزيائية (مثال: 1=طاقة فعّالة)
  • D — نوع القياس (8=زمن التكامل)
  • E — منطقة التعريفة
  • F — العمق التاريخي

بروتوكول DLMS:

• طبقة التطبيق وفق نموذج OSI
• ارتباطات (Associations) بحقوق وصول مختلفة: Public، Reader، Manager
• المصادقة: أمان منخفض المستوى (LLS)، وأمان عالي المستوى (HLS) بآلية التحدي-الاستجابة
• التشفير: دعم DLMS Security Suite بخوارزميات AES-GCM-128
• ملفات الأحمال (Load Profiles): كائنات تخزين مؤقت لحفظ بيانات السلاسل الزمنية
• نظام البرمجة النصية (Scripting): تنفيذ تسلسلات من الإجراءات على العداد

النقل

الطبقة الفيزيائية وطبقة ربط البيانات:

• المنفذ البصري (IEC 62056-21، flag) — اتصال مباشر عبر رأس بالأشعة تحت الحمراء للقراءة المحلية
• RS-485 / RS-232 ببروتوكول HDLC (High-Level Data Link Control) للشبكات متعددة الأطراف (multi-drop)
• TCP/IP (المنفذ 4059) — DLMS فوق TCP أو تغليف IP للوصول عن بُعد
• GSM/GPRS/LTE — نقل البيانات عبر الشبكات الخلوية (بروتوكولات تغليف)
• PLC (الاتصال عبر خطوط الطاقة، Power Line Communication) — النقل عبر خطوط الطاقة (PRIME، G3-PLC)
• M-Bus — للتكامل مع أنظمة قياس الماء والحرارة

ملفات تعريف النقل حسب طريقة تنفيذ العداد:

• IEC 62056-46: COSEM فوق HDLC
• IEC 62056-47: نقل COSEM فوق TCP-UDP/IP

القدرات الرئيسية

• قراءة العداد — القيم الحالية لاستهلاك الطاقة، والقدرة، والجهد، والتيار، ومعامل القدرة
• ملفات الأحمال (Load Profiles) — بيانات تفصيلية مؤرَّخة زمنيًا (بفترات 15 دقيقة، وساعية، ويومية)
• سجلات الأحداث — تسجيل العبث بالغطاء، وانقطاعات التيار، والجهود الزائدة، وتغيّرات المعاملات
• مصادقة وتفويض متعددة المستويات: تحكم في الوصول قائم على الأدوار (وصول عام، قراءة، تهيئة)
• إدارة التعريفات — التعديل عن بُعد لجداول التعريفات والأسعار
• مزامنة الوقت لدقة الطوابع الزمنية
• التحكم في المرحّل (وصل/فصل الحمل)
• مراقبة جودة الطاقة (انخفاضات الجهد، والارتفاعات المفاجئة، والتوافقيات)
• دعم العمليات الجماعية عبر عدادات متعددة
• الحماية التشفيرية للبيانات وسلامة الرسائل