آشنایی با شبکه پروفی باس و نسل های مختلف آن

جهان امروز جهان ارتباطات است. در این دنیا، ارتباط ماشین ها و تجهیزات صنعتی همانند ارتباط انسان ها درجه اهمیت بالایی دارد. چه بسا حتی در مواردی اهمیت بیشتری هم داشته باشد. شبکه های صنعتی پروتکل هایی به منظور حل چالش های  ارتباط ماشین ها و تجهیزات صنعتی با یکدیگر در اختیار ما قرار می­دهند.

این شبکه ها  با توجه به نیاز و نوع اتوماسیون می­توانند ابعاد و اشکال مختلفی داشته باشند. از شبکه های صنعتی کوچک با چند تجهیز محدود گرفته تا شبکه های بسیار بزرگ با هزاران ورودی و خروجی.

 پروفی­ باس یکی از انواع شبکه های صنعتی است که  برای انتقال داده‌ها و سیگنال‌های کنترلی به کار می‌رود. این پروتکل  بین PLCها، HMIها و ادواتی مانند؛ سنسورها، درایوها، محرک‌ها و سایر تجهیزات ارتباط برقرار می­کند. از جمله مهمترین ویژگی های پروفی­ باس می توان به سرعت انتقال اطلاعات بالا، امنیت پایدار و صرفه اقتصادی آن اشاره کرد.

در این مقاله شبکه پروفی باس را معرفی می­کنیم، لزوم استفاده از آن را بررسی کرده و به معرفی نسل های مختلف PROFIBUS می­پردازیم. در پایان نیز با برخی از تجهیزات شبکه پروفی باس زیمنس آشنا می­شویم.

مقدمه ای بر پروفی­ باس

پروفی باس یا Process Field Bus یک پروتکل ارتباطی استاندارد و زیر مجموعه پروتکل Fieldbus است.  واژه فیلد باس از دو قسمت فیلد و باس تشکیل شده است. فیلد در دنیای صنعت به یک محدوده جغرافیایی یا مفهومی گفته می‌شود که شامل سطوح مختلف فرایندی است. واژه باس که در علوم داده کابرد دارد، به مجموعه ای از خطوط کلی گفته می‌شود که به صورت الکتریکی یا نوری واحد های مختلف کارخانه را به منظور انتقال اطلاعات بین آنها به هم مربوط می کنند.

مهم ترین ویژگی پروفی باس استفاده از یک حامل برای ارسال و دریافت اطلاعات است. از ویژگی های این حامل می توان به دسترسی چندگانه و عدم ایجاد تداخل اشاره کرد. انتقال داده در شبکه پروفی باس به صورت دیجیتالی صورت می­گیرد. به همین دلیل در مقابل نویز محیط آنالوگ صنعتی بسیار مقاوم است. پروفی­ باس انواع مختلفی دارد و با توجه به نیاز صنعت مورد نظر، یکی از آن ها مورد استفاده قرار می­گیرد.

انواع شبکه پروفی باس

پروتکل پروفی ­باس قابلیت های زیادی دارد که آن را به یک گزینه ایدهآل برای استفاده در محیط های صنعتی تبدیل کرده است. از سوی دیگر محیط های صنعتی مختلف الزامات متفاوتی دارند که باید مورد توجه قرار بگیرد. به منظور بهره مندی از مزایای Profibus و همچنین پوشش نیازهای صنایع مختلف، سه نسخه متفاوت از این پروتکل با نام های FMS، PA و DP معرفی و پشتیبانی می‌شود . هر کدام از این نسخه ها کاربرد و استاندارد متفاوتی دارند.

پروفی ­باس FMS

Profibus FMS یا  Fieldbus Message Specification نسل اول پروفی­ باس است. پروتکل به منظور انتقال پیام های خاص و پیچیده بین تجهیزات شبکه مورد استفاده قرار می گرفت اما در حال حاضر کمتر مورد استفاده قرار می­گیرد. پروفی باس FMS بر اساس استاندارد EN50170 استوار شده است. این پروتکل برای استفاده در شبکه هایی با تعداد نود کم (10 الی 15 دستگاه) و حجم انتقال داده بالا مناسب است.  سرعت تبادل داده در این شبکه حدود ۱.۵ مگابیت در ثانیه است. کابل های مربوط به این شبکه با روکش قرمز تیره در شبکه مشخص می­شود.

 پروفی­ باس DP

DP  مخفف Decentralized Peripherals است. Decentralized  به معنای غیر متمرکز و Peripherals  به معنای تجهیزات جانبی است. نسخه پروفی ­باس DP جدیدتر از ورژن FMS است و به منظور شبکه کردن تجهیزات غیر متمرکز جانبی به کار می­رود.

پروفی ­باس DP برای ارتباط بین PLC و ورودی خروجی هایی که به صورت ریموت قرار گرفته اند مناسب است. Profibus DP پرکاربردترین نوع پروفی ­باس در حال حاضر است. حداکثر طول کابل در این نسخه برای داشتن بالاترین سرعت انتقال دیتا می‌تواند ۱۰۰۰ متر می‌باشد. حداکثر سرعت انتقال اطلاعات در این فاصله 12 مگابیت بر ثانیه است که بالاترین نرخ انتقال داده در بین انواع شبکه پروفی باس است.  پروفی­ باس داده ها را روی بستر  RS485 تبادل می کند. کابل انتقال داده در این شبکه با روکش بنفش رنگ مشخص می­شود.

پروفی­ باس PA

 PA  مخفف Process Automation است. این نسخه در واقع نمونه ارتقا یافته DP است که سازوکارهای مناسب استفاده در محیط‌های خطرناک در آن گنجانده شده است. سرعت انتقال داده در این نسخه بسیار کمتر از DP است اما در عوض امنیت آن بسیار بالاست. به دلیل محدودیت‌های الکتریکی پروفی باس PA، نرخ تبادل اطلاعات، طول مجاز کابل‌ها و تعداد دستگاه‌های قابل شبکه‌سازی نیز به شدت کاهش یافته است.

حداکثر سرعت انتقال دیتا در شبکه Profibus PA به ۳۱.۲۵ کیلوبیت بر ثانیه می رسد که خیلی کمتر از سرعت DP است. حداکثر طول کابل در این شبکه ۱۹۰۰ متر است. کابل PA با روکش آبی کم‌ رنگ از سایر استانداردهای پروفی باس متمایز شده است.     

تاریخچه شبکه پروفی باس

پیشینه PROFIBUS به سال 1987 بر می گردد. در اواخر دهه ۱۹۸۰دولت آلمان (وزارت فدرال آموزش و پژوهش) همکاری خود را با شرکت‌ها و مؤسسات آلمانی (در مجموع ۲۱ شرکت که کمپانی زیمنس یکی از آنها بود) برای ایجاد یک پروتکل اختصاصی جهت استانداردسازی شبکه  آغاز کرد. هدف نهایی این پروژه ایجاد یک شبکه باز (Open) نامحدود بود که بتواند تمام سیستم های کنترل موجود را پوشش دهد.

• پروفی باس اولین بار در سال 1989 توسط BMBF (دپارتمان آموزش و تحقیقات آلمان) ترویج شد و سپس توسط زیمنس مورد استفاده قرار گرفت.
• در سال 1989 سازمان PNO ایجاد شد. این گروه عمدتاً از تولیدکنندگان و کاربران اروپایی پروفی باس تشکیل شده بود.
• در سال 1992، اولین سازمان منطقه ای پروفی ­باس در سوئیس تأسیس شد.
• در سال‌های بعد، در مناطق مختلف دنیا انجمن هایی با هدف فعالیت در حوزه پروفی ­باس ایجاد شد که به اختصار  RPA نامیده می­شدند.
• در سال 1995، همه RPAها تحت عنوان انجمن بین المللی پروفی­ باس یا به اختصار & Profinet International )PI Profibus) به یکدیگر پیوستند.

امروزه، PROFIBUS در سراسر جهان  با بیش از 1400 عضو به فعالیت خود ادامه می­دهد، از جمله مهم­ترین این اعضا می­توان به   فروشندگان اتوماسیون، تامین کنندگان خدمات و بسیاری از کاربران نهایی اشاره کرد.

لزوم استفاده از شبکه پروفی باس

برای درک لزوم استفاده از شبکه پروفی باس بیایید محیط یک کارخانه را تصور کنیم. در این کارخانه تعداد زیادی سنسور به منظور اندازه گیری دما، فشار، سطح و . . .  در قسمت های مختلف تعبیه شده ا ست. هر  سنسور باید با PLC  نصب شده در اتاق کنترل ارتباط داشته باشد. در طرف دیگر تعداد زیادی عملگر و کلید داریم که در انتظار اجرای فرمان های رسیده از PLC  ها هستند.

وقتی تعداد این تجهیزات کم باشد کابل کشی و کنترل ارتباط بین آنها خیلی پیچیده به نظر نمی­رسد. اما شرایطی را تصور کنید که تعداد تجهیزات بسیار زیاد و به علاوه فاصله سنسورها و عملگر ها نیز از اتاق کنترل زیاد است. در این شرایط اولین مشکلی که ممکن است با آن مواجه ­شویم، بیشتر بودن تعداد سنسور ها و عملگر ها از تعداد پورت های ورودی و خروجی PLC  است!

مشکل بعدی حجم بسیار بالای سیم کشی است. اگر قرار باشد از هر سنسور یک زوج سیم به صورت مستقیم به PLC داشته باشیم و از PLC یک زوج سیم برای هر عملگر کشیده شود، با حجم بسیار بالای سیم کشی مواجه هستیم.

پروفی باس راه کاری برای کاهش چشم گیر سیم کشی در اختیار ما قرار می­دهد که علاوه بر مقرون به صرفه بودن، در برابر نویز بسیار مقاوم است. راهکار Profibus DP در حل این مشکل استفاده از ریموت I/O ها است. ریموت I/O ها پورت ورودی /خروجی که  در اتاق فرمان و در کنار PLC بود را از آن جدا می­کند و به خط تولید کارخانه و یا هرکجایی که سنسور و عملگر ها در آن جا قرار دارند منتقل می­کند.

قبل از Profibus-DP، ورودی/خروجی ها یا تجهیزات جانبی، در اتاق کنترل متمرکز بودند. اما با انتقال آنها به خط تولید کارخانه و قرار گرفتنشان در کنار سنسورها، عملا چیدمان تجهیزات I/O و یا سایر لوازم جانبی را غیرمتمرکز ” Decentralized Peripherals” کرده ایم.

 تفاوت شبکه Profibus-DP و Profibus-PA

گفتیم Profibus-DP  این امکان را فراهم می­کند که ورودی ها و خروجی های PLC را از قسمت CPU آن جدا کنیم و از اتاق فرمان به خط تولید کارخانه ببریم. پس از آن با کابل‌های کوتاه‌تر ورودی/خروجی(I/O) ها را به سنسورها متصل می­کنیم. راه اندازی سیستم اتوماسیون با این روش بسیار ارزان تر و کارآمدتر است.

مدتی پس از استفاده از  Profibus-DP، گروهی از مهندسان خلاق اتوماسیون به دنبال پاسخی برای این سوال بودند که چطور می توانیم کابل های بیشتری را حذف کنیم و شبکه کارآمدتری داشته باشیم؟ و اینگونه بود که Profibus-PA ابداع شد. شبکه پروفی باس PA این امکان را به ما می­دهد که واحد ریموت I/O را به همراه کابل ها،  جدا کرده و آنها را با یک سگمنت کوپلر و تنها یک کابل Profibus-PA جایگزین کنیم.

در این روش راه اندازی، به جای اتصال یک به یک سنسورها به ریموت I/O، می توانید همه آنها را به یک پورت PA متصل کنید. در سمت دیگر این پورت، قطعه مبدل یا کوپلر سیگنال PA را به سیگنال DP تبدیل می کند. بنابراین، با استفاده از Profibus-PA، می‌توانید ساختار شبکه اقتصادی‌ تر و کارآمدتری داشته باشید.

از آنجا که PLC دارای پورت Profibus-PA نیست نمی­توانیم آن را مستقیما به کنترلر متصل کنیم. اما اکثر PLC ها دارای یک پورت DP هستند. به واسطه وجود یک سگمنت کوپلر، در واقع یک Profibus-PA قبل از مبدل و یک Profibus-DP بعد از آن خواهیم داشت.

معرفی تجهیزات ریموت I/O زیمنس

ریموت I/O و یا Remote Terminal Unit (RTU) ها  براي کنترل (control)، ثبت و ذخيره اطلاعات (Recordering & Data Acquisition) و نمايش آن ها ( HMI) بکار گرفته می­شوند. دستگاه های ورودی/خروجی یا ریموت I/O های زیمنس با نام  ET200 شناخته می­شود. برای بهره مندی از مزایای شبکه پروفی باس در محیط صنعتی، استفاده از این ماژول ها در کنار plc ضروری است. لازم به ذکر است ارتباط plc و ET 200 به کمک پروتکل پروفی باس برقرار می شود. پروفی باس از جمله پروتکل های ارتباطی انواع پی ال سی زیمنس است.

در مقاله ” پروتکل های ارتباطی S7 – 1200 ” می توانید با سیار پروتکل های ارتباطی این کنترل کننده ها آشنا شوید.

ریموت I/O های ET200 زیمنس انواع بسیار گسترده ای دارند. بسته به نیازهای پروژه و کاربرد مورد انتظار اقدام به انتخاب گزینه مناسب می شود. از جمله اعضای پرکاربرد این خانواده می توان به موارد زیر اشاره کرد:

ET200L: ماژول های کامپکت با تعداد ورودی و خروجی ثابت و مشخص که تنها  به صورت دیجیتال هستند

ET200B: ماژول های کامپکت دارای ورودی و خروجی دیجیتال و ورودی و خروجی آنالوگ

ET200R: در کاربردهایی که نیاز به حفاظت بیشتر یا IP بالا تر داشته باشیم از این سری تجهیزات استفاده می شود. این ماژول ها حفاظت بیشتری در برابر رطوبت ، گرد و خاک ، دما… دارند. این ماژول ها نیز از نوع کامپکت هستند.

ET200S: از جمله ریموت I/O های ماژولار است و برای حجم زیاد I/O  مناسب است. این ماژول قابلیت نصب کارت های کنترل موتور را نیز دارد.

ET200M: این ماژول ها نیز کامپکت نیستند و برای اتصال تعداد زیاد I/O  با کارت های پی ال سی S7-300 مناسب می باشند.