پروفی باس و پروفی نت

منتشر شده در : 18 دسامبر, 2021دسته بندی: مقالات

استاندارد های شبکه پروفی‌باس | PROFIBUS و پروفی‌نت | PROFINET در حال حاضر دو استاندارد اصلی و بی‌ همتای شبکه‌های اتوماسیون و صنعتی هستند. در این پست قصد داریم تا با نگاهی فنی به مسیر تکامل آنها و همچنین تفاوت بین این دو استاندارد داشته باشیم.

تعریف پروفی باس

میتوانیم پروفی باس را با عباراتی ساده اینگونه تعریف کنیم: “یک مسیر امن و پایدار جهت انتقال و جابجایی داده‌ها در یک سیستم اتوماسیون”.پروفی باس که با نام Process Field Bus نیز شناخته می شود در واقع یک پروتکل ارتباطی در اتوماسیون می باشد.

با توجه به تعریف بالا، از آنجا پروتکل PROFIBUS برای اتوماسیون تعبیه شده بنابراین قادر است تا ارتباطی مؤثر میان تمام کنترلرها، پی ال سی ها، HMIها و تجهیزاتی همانند سنسورها، درایوها، محرک‌ها، اینکودرها و … ایجاد کند.بنابراین موارد ذکر شده، این پروتکل را می تواند در فرایندهایی با ارتباط همزمان آنالوگ و دیجیتال استفاده نمود.

پروفیباس روشی پایدار، ارزان‌قیمت، همه‌کاره و تطبیق‌پذیر را در اختیار اتوماسیون صنعتی قرار می‌دهد.

ویژگی های پروفیباس

از مزایای بارز پروفی‌باس می توانیم به بهره مندی از یک ساختار و استاندارد مشخص اشاره کنیم. همین موضوع باعث شده تا تقریبا تمام کمپانی ها قادرباشند به حوزه ساخت آن ورود کرده و همچنین تجهیزات خود را متناسب با این پروتکل منحصر به فرد طراحی نمایند. ارتباط در پروفیباس از نوع تکنولوژی ارتباط سریال RS-485 می باشد.

پروفیباس را می توان با داشتن حدودا ۴۴ میلیون دستگاه در سراسر جهان، پرکاربردترین سیستم میدانی شرکتی در صنایع تولیدی و فرآوری دانست.

چرا پروفیباس ارتباط سریال نامیده می‌شود؟

بطور کلی دو شیوه جهت برقراری ارتباط در محیط های کارخانجات وجود دارد؛ ارتباط موازی و یا سریال.

در شیوه موازی (Parallel) به ازای هر سیگنال ورودی یا خروجی به دو رشته سیم نیاز داریم. مسلماً با توجه‌ به حجم سیگنال‌های ورودی/خروجی که مورد استفاده و نیاز است، این روش را می توانیم تقریباً روشی ناکارآمد بدانیم. از سوی دیگر روش سریال تنها به دو رشته سیم جهت اتصال تمام سیگنال‌های ورودی و خروجی به تجهیزات کنترلی لازم داریم.

توجه بفرمایید که شیوه “ارتباط سریال” سال‌ها پیش از معرفی پروفی باس اختراع شد. اما در سوی دیگر پروفی باس توانست تحت این بستر، سرعت ارتباط را افزایش دهد و از سوی دیگر حجم کابل کشی را تا حد چشمگیری کاهش دهد.

چرا پروفی‌باس به این سرعت توانست رشد کند؟

تولیدکنندگان متعددی سازنده تجهیزاتی نظیر PLCها، درایوها و ابزارهای دقیق هستند که پروفی باس را در محصولاتشان ارائه می‌دهند. از مزایای پروفی‌باس می توان به این موضوع اشاره کرد که برای هر کاربردی می‌توانیم از یک راه‌کار (Solution) مشابه از پیش‌ تعبیه شده استفاده کنیم. ازسوی دیگر پروفی باس قادر است تا با ۱۲ مگابیت بر ثانیه عمل کند که در حال حاضر پر سرعت ترین باس میدانی در دنیای اتوماسیون می باشد.

در ادامه بخوانید…

نیرونوین نمایندگی یاسکاوا در ایران

به همراه ارائه گارانتی معتبر از سوی شرکت

تاریخچه پروفی باس

در اواخر دهه ۱۹۸۰ میلادی زمانی در حدود ۱۳۵۹ شمسی ، دولت آلمان همکاری اش را با کمپانی ها و مؤسسات آلمانی به منظور پدید آوردن یک پروتکل اختصاصی آغاز نمود. در سال ۱۹۸۷میلادی،همکاری مذکور منجر به شکل گیری راه‌حل جدیدی جهت استفاده از فیلدباس شد. شرکت های نامبرده توانستند تا یک بیت سری از نوع فیلدباس را طراحی کنند که قادر بود نیازهای ابتدایی دستگاه‌های حوزه میدان (field) را فراهم کند.این پروتکل ارتباطی برای نخستین بار در این زمان و مرحله معرفی گردید.

نهایتا درسال ۱۹۸۹ گروهی ۱۰ نفره به نام PNO موفق شدند پروژه پروفیباس را به اتمام برسانند. در حال حاضر این گروه دارای بیش از ۱۴۰۰ عضو می باشد که توانسته اند بیش از ۵۰ میلیون دستگاه را با این پروتکل سازگار نمایند.

در پایان شاهد پروفی باس بر اساس الزامات استاندارد RS485 و استاندارد اروپایی EN50170 در دنیای اتوماسیون هستیم.

اجزاء و عملکرد پروفیباس

کابلهای استاندارد پروفی باس متشکل از موارد زیر می باشند:

مغز مسی
روکش مغز مسی
روکش سیلیکونی
فویل ضد نویز
شیلد محافظ
روکش PVC

تمام موارد فوق به منظور عدم تاثیر نویز در این کابل می باشد. شبکه های پروفی باس از کابلی با دو رشته سیم جهت تبادل اطلاعات بین ارسال کننده و دریافت کننده استفاده می نمایند. به این دلیل که اطلاعات، به صورت سیگنال‌ هایی با ولتاژ کمتر از ۵ ولت منتقل می‌شوند، وجود هرنوع نویز بر روی این سیگنال می‌تواند منجر به ایجاد خطا شود.بنابراین از یک شیلدمحافظ برروی دو سیم استفاده می شود. این شیلد نیز از دو سمت به زمین متصل می گردد.

کارکرد پروتکل پروفیباس بصورت Master/Slave می باشد. به این صورت که همواره وسیله ای به عنوان Master یا فرمانده و سایر تجهیزات به شکل Slave و یا فرمان‌ بر لحاظ می گردند. هرگاه دستگاه Master به یک دستگاه Slave که می تواند سنسورها، عملگرها و یا هر تجهیز دیگری باشد، فرمانی را ارسال می نماید و آن دستگاه جواب را به Master باز می‌گرداند. این پروتکل اطلاعات را از سطح فیلد دریافت میکند و ضمن پردازش داده ها، آنها را به سطح نظارت ارسال می‌نماید تا دستورالعمل کنترلی متناسب با اطلاعات دریافتی اتخاذ شود.

تجهیزاتی که می توانند بعنوان Master استفاده شوند شامل موارد زیر می باشند:

PLC
DCS
PC
TP/OP

توکن

در شبکه پروفی باس ماشاهد پروتکلی بیشتر با عنوان توکن نیز هستیم که امکان استفاده از چندین Master را میسر می‌سازد. همینطور بر عکس مدباس، تمام تجهیزات در هنگام راه‌اندازی، فرایند را طی می نمایند که در طول آن دستگاه ها به شبکه می‌ پیوندند. هر Slave یک تایمر failsafe را حفظ می نماید. اگر Master در طی یک بازه زمانی مشخص با آن ارتباط نگیرد، Slave به حالت امن می‌رود. Master می بایست پیش از انجام تبادل اطلاعات دیگر، دوباره پروسه راه‌اندازی را طی نماید. این روند در ترکیب با یک تایمر نگهبان در Master، اطمینان حاصل می‌کند که تمام ارتباطات در هر چرخه باس در یک مقدار زمانی خاص رخ میدهد.

اسکن عمومی به این شکل است که Master A توکن را دریافت می نماید که کنترل باس را برای آن میسر می سازد. پس از آن اطلاعات را با هر کدام از Slave های خود تبادل کرده و پس از تکمیل شدن،در صورت وجود Master بعدی Token را برای آن انتقال می‌دهد.

تشخیص دقیق

قابلیت دیگر در شبکه های پروفی باس که می خواهیم به آن اشاره کنیم، امکان نیاز به تشخیص دقیق از هر Slave است. این ویژگی نیز در پروتکل گنجانده شده تا در طی تبادل داده‌های عادی، یک Slave بتواند به Master هشدار دهد که دارای قابلیت تشخیص می باشد.در این شرایط Master در اسکن بعدی مجدداً باس را خواهد خواند.

پروتکل پروفی باس

در پروتکل پایه پروفی باس طبق رفرنس ISO/OSI ما از تمام لایه‌ها استفاده نمی‌کنیم.

انواع پروفی باس

پروتکل پروفی باس در سه بخش FMS، PA و DP توسط چند کمپانی آلمانی از جمله زیمنس معرفی و پشتیبانی می‌شوند و مجموعه‌ای از نیازمندی‌ها را به طور جامع پوشش می‌دهند. در ادامه به بررسی این سه نوع خواهیم پرداخت.

پروفیباس FMS

Profibus FMS اولین نوع از پروفی باس می‌باشد که عموما برای زمانی که حجم دیتاهای ارسالی و دریافتی بالا است استفاده می‌شود. پروفی باس FMS راهکاری همه‌ منظوره به منظور انتقال اطلاعات در سطح سلولی (Cell Level) می باشد. سرویس‌های قدرتمند FMS بازه وسیعی از کاربردها را شامل می شوند و همچنین انعطاف‌پذیری بسیار خوبی دارند. پروفی باس FMS بر اساس استاندارد EN50170 استوار بوده و برای ارتباط با اجزاء پیچیده‌تر محوطه طراحی می شوند که امکان به‌کارگیری در شبکه‌ های سلولی با ابعاد کوچکتر و سرعت تبادل داده تا حدود ۱.۵ مگابیت در ثانیه را دارد.

لازم به ذکر است که این نسل از پروفیباس به نسبت گذشته بسیار کمتر مورد استفاده قرار می گیرد و جز اولین نسل ها محسوب می گردد.

Profibus DP

کلمه DP مخفف عبارت Decentralized Peripherals است که به معنای دستگاه غیر متمرکز می باشد. این ورژن از نسخه FMS جدیدتر می باشد و برای ارتباط بین سطح کنترل یک سیستم اتوماسیون صنعتی (یا همان پی ال سی) و محیط غیرمتمرکز در این زمینه است.در واقع این نوع از پروفی باس می‌تواند میزان بالایی از داده ها را از حسگرها و عملگرهایی که در نقاط مختلف کارخانه به‌صورت غیرمتمرکز نصب گردیده اند را جمع‌آوری کرده و همه آن‌ها را توسط یک کابل دو رشته‌ای به اتاق کنترل انتقال دهد. به منظور بکارگیری این روش می بایست در اتاق کنترل یک ماژول Profibus DP IO را بر روی PLC نصب نمایید و همینطور یک ریموت نیز در فیلد I/O باید نصب کنید. این شبکه می تواند remote I/O نصب شده در فیلد را به ماژول Profibus DP IO روی PLC اتصال دهد.

لازم به ذکر است که بر خلاف نوع پیشین، Profibus DP بیشترین میزان استفاده را دارد.

نرخ انتقال اطلاعات

بیشترین میزان انتقال داده در شبکه پروفی باس DP معادل ۱۲ مگابیت بر ثانیه است. حداکثر طول کابل در بالاترین سرعت انتقال اطلاعات نیز می‌تواند ۱ کیلومتر باشد. اگر از نرخ انتقال داده کمتری استفاده نماییم طول کابل می‌تواند به عدد ۱۲۰۰ متر نیز برسد.

ازآنجا که انتقال داده در این تکنولوژی به شیوه “دیجیتال” انجام می‌گردد، نویز موجود در محیط‌های صنعتی کمترین تاثیر را بر روی داده ها خواهد داشت. به همین جهت تبادل اطلاعات ما بین سیستم کنترل و تجهیزات فیلد بسیار پایدار است. برق مورد نیاز تجهیزات ابزار دقیق در شبکه نوع Profibus DP توسط یک کابل مجزا تامین می گردد. در این شیوه کنترل‌ کننده‌ هایی جهت محدود سازی جریان و ولتاژ در حالت کار عادی، اختلال و اتصالی تعبیه گردیده است. همچنین از همان کابل واحد زوج سیم (Twisted Pair) سیگنال می‌توان برای تغذیه الکتریسیته نیز استفاده کرد.

DP از لایه‌های ۱، ۲ و همچنین از User Interface استفاده می‌کند. توجه داشته باشید که استفاده‌نکردن از لایه هفتم سبب انتقال سریع دیتا در آن به نسبت سایر روش‌های پروفی باس گردیده است.

مزایای شبکه Profibus DP

همان‌طور که پیش تر اشاره نمودیم، شبکه صنعتی پروفی باس DP وقتی در فرآیند جمع‌آوری سیگنال‌های غیرمتمرکز استفاده شود، می‌تواند در حد چشم‌گیری از میزان کابل‌کشی بین تجهیزات فیلد و سیستم کنترل بکاهد. دیگر ویژگی‌ های مثبت آن زمان پاسخ‌دهی بسیار کوتاه، ایمنی در برابر نویز و کاهش بسیار زیاد هزینه به جهت ارتباط سریال می باشد.

معایب شبکه DP

با توجه‌ به اینکه انتقال دیتا در این روش از طریق یک کابل واحد انجام می‌گیرد، وجود خرابی، نقص فنی یا خرابکاری به هر روشی منجر به ازدست‌دادن تمام اطلاعات جمع‌آوری شده از تجهیزات فیلد می گردد.

Profibus PA

پروفیباس PA با هدف ایجاد ارتباط مستقیم با Profibus DP توسعه داده شده است به همین دلیل پروتکل اصلی PA و DP تقریباً یکسان است و می‌توانیم به سادگی بین این دو شبکه ارتباط برقرار کنیم. مهم‌ترین ویژگی در شبکه Profibus PA امکان برقراری ارتباط با تجهیزات نصب شده در محیط‌های انفجاری مانند محیط‌های Zone 0 و Zone 1 می‌باشد. تامین برق موردنیاز برای تجهیزات فیلد و هم چنین مخابره اطلاعات بین تجهیزات و سیستم کنترل میزبان (اسکادا یا DCS) در این نوع شبکه کاملاً به‌صورت دیجیتال انجام می‌شود. به دلیل محدودیت‌های الکتریکی پروفی باس PA، نرخ تبادل، طول مجاز کابلها و تعداد دستگاه‌های قابل شبکه‌سازی به شدت کاهش یافته است.

بخاطر محدودیت‌های ایمنی موجود در PA، سرعت آن بسیار کمتر از DP است.

ماکزیمم سرعت انتقال دیتا در شبکه PA به میزان ۳۱.۲۵ کیلوبیت بر ثانیه است. این سرعت بسیار پایین‌تر از شبکه DP می باشد. همچنین حداکثر طول کابل در این شبکه ۱۹۰۰ متر است. جریان ۰.۵ آمپر حداکثر جریانی است که می‌توان به هر سگمنت در شبکه Profibus PA تزریق کرد. جالب اینکه شبکه PA از نظر خصوصیات فیزیکی شباهت‌های زیادی به شبکه Foundation FiedlBus دارد.

ارتباط بین شبکه PA و Profibus DP

در صنعت به وفور رخ می دهد که ناچار به ترکیب دو شبکه PA و DP با یکدیگر باشیم. می‌دانیم که اطلاعات شبکه PA از تجهیزات مستقر در محیط‌های خطرناک و انفجاری می‌آید و اطلاعات شبکه DP از اتصال تجهیزات متصل در محیط‌های امن و نرمال حاصل می‌شود. جهت اتصال این دو شبکه به یکدیگر نیازمند استفاده از یک لینک DP/PA خواهیم بود که در صنعت از این لینک ارتباطی با عنوان DP/PA Coupler نیز نام برده می‌شود.

نکته مهم اینکه وقتی که از یک کوپلر در شبکه DP استفاده می‌کنیم، نرخ انتقال دیتا به میزان ۳۱.۲۵ کیلوبیت بر ثانیه کاهش می‌یابد. اما در حالت عکس برای نرخ دیتای شبکه PA درون شبکه DP محدودیتی وجود نخواهد داشت.

توپولوژی پروفی باس

حالا که به‌صورت کلی با اجزای شبکه پروفی باس آشنا شدیم بد نیست نگاهی هم به توپولوژی‌های این شبکه داشته باشیم.

توپولوژی‌های شبکه الکتریکی

در شبکه‌های الکتریکی RS485 توپولوژی می‌تواند Bus یا Tree باشد. البته در حالت عادی این توپولوژی به‌صورت باس است.

در این روش ابتدا و انتهای باس فقط یک سگمنت است باید توسط ترمینیتور (Terminator) بسته شود. پس در این دو نقطه ترمیناتور را ON و برای سایر اجزای میانی OFF می‌کنیم. اگر برای یکی از اجزای میانی ترمیناتور ON شود باس کوتاه‌تر می‌شود یعنی اجزایی که بعد از آن قرار گرفته‌اند از باس خارج می‌شوند.

PG توسط Tap Line به باس متصل شده است یعنی کانکتور کابل آن به پشت کانکتور S7-300 متصل شده است. در این حالت نیازی به بستن ترمینیتور در سمت PG نیست.

در استفاده از Tap Line چه به‌صورت فوق و چه توسط Bus Terminal ایجاد شود باید به محدودیت‌های مندرج در جدول زیر توجه کرد:

ماکزیمم طول TAP LINE در هر سگمنت	سرعت انتقال داده
۹۶m	۹.۶ -۹۳.۷۵ کیلوبایت در ثانیه
۷۵m	۱۸۷.۵ کیلوبایت در ثانیه
۳۰m	۵۰۰ کیلوبایت در ثانیه

توپولوژی باس با ریپیتر

اگر تعداد Nodeها بیش از ۳۲ باشد به‌ناچار برای توپولوژی باس باید از ریپیتر استفاده نمود. توجه فرمایید که ترمینیتور علاوه بر ابتدای سگمنت‌ها در نقاط اتصال به ریپیتر نیز باید ON باشد.

چنانچه طول کابل به حداکثر طول مجاز برسد باید از ریپیتر استفاده کنیم. در این حالت سگمنت جدیدی تشکیل نمی‌شود بلکه همان سگمنت توسط ریپیتر ادامه می‌یابد. توجه شود که ترمینیتور برای سگمنت ۲ باید OFF باشد.

توپولوژی درختی با ریپیتر

ایجاد توپولوژی درختی (Tree) با استفاده از ریپیتر نیز امکان‌پذیر است.

در این توپولوژی باید به موارد زیر دقت کنید:

هر سگمنت باس حداکثر ۳۲ نود می‌تواند داشته باشد.
کل باس ۱۲۷ نود می‌تواند داشته باشد.
ماکزیمم ۹ عدد ریپیتر به‌صورت سری می‌توان استفاده کرد.
ریپیترها در محاسبه تعداد نودها نیز باید منظور شوند.
برای سرعت انتقال ۱.۵Mbps فاصله بین هر دو Node متوالی نباید از حدی کمتر باشد.

توپولوژی‌های شبکه نوری

قبل از اینکه به این بخش بپردازیم باید دو تجهیز را معرفی کنیم:

OBT: OBT مخفف Optical Bus Terminal بوده و وسیله‌ای است که توسط آن می‌توان یک Node شبکه الکتریکی RS485 را به شبکه نوری متصل نمود. OBT علاوه بر این اتصال نقش یک ریپیتر را نیز بازی می‌کند.

OLM: OLM مخفف Optical Link Module بوده و وسیله‌ای است که توسط آن می‌توان شبکه الکتریکی RS485 را به شبکه نوری متصل نمود و برخلاف OBT هر سه نوع فیبر؛ پلاستیکی، پلیمری و شیشه‌ای را می‌توان به آن متصل نمود.

با استفاده از المان‌های شبکه فیبر نوری می‌توان توپولوژی‌های مختلفی ایجاد کرد. با OBT می‌توان فقط توپولوژی باس و با OLM می‌توان توپولوژی‌های باس، ستاره و رینگ را به وجود آورد. نکاتی که باید به آنها توجه داشت این است که:

با OBT نمی‌توان فیبر شیشه‌ای استفاده کرد حداکثر فاصله بین دو نقطه با فیبر پلاستیکی ۵۰ متر و با فیبر PCF ۳۰۰ متر است.
با OLM همه انواع کابل‌های نوری را می‌توان استفاده کرد. فاصله بین دو نقطه با کابل شیشه‌ای ۱۵ کیلومتر و با کابل پلاستیکی ۸۰ متر است.

توپولوژی باس با OBT

شکل زیر نمونه‌ای از توپولوژی باس که توسط OBT ایجاد شده را نشان می‌دهد. کابل نوع ۱ الکتریکی و کابل نوع ۲ نوری می‌باشند. توجه شود که در دو طرف کابل الکتریکی ترمینیتور ON می‌باشد.

توپولوژی باس با OLM

شکل زیر توپولوژی باس که توسط OLM ایجاد شده را نشان می‌دهد. در این روش می‌توان بین دو OLM از فیبر شیشه‌ای استفاده کرد بنابراین مسافت بین دو Node بسیار بیشتر از نوع OBT می‌باشد.

توپولوژی باس با OLM و OBT

اگر فاصله برخی ایستگاه‌ها بیشتر از حد مجاز استفاده OBT باشد می‌توان بین آن نقاط فقط از OLM استفاده کرد. توجه شود که جایگزینی همه OBTها با OLM ممکن است مقرون‌به‌صرفه نباشد و طراح ترجیح دهد آنها را به‌صورت ترکیبی استفاده کند.

توپولوژی حلقوی با استفاده از OLM

این توپولوژی نیز فقط با OLM امکان‌پذیر است و نمی‌توان از OBT استفاده کرد. با اتصال OLMها روی شبکه نوری مانند شکل زیر توپولوژی Ring ایجاد می‌شود. این ساختار قابلیت اطمینانش نسبت به سایرین بیشتر است زیرا با بروز مشکل روی هر قسمت از فیبر یا هرکدام از OLMها، توپولوژی به حالت باس درمی‌آید و شبکه به کار خود ادامه می‌دهد.

اگر فاصله بین دو OLM ابتدا و انتها در شکل فوق خیلی زیاد باشد ممکن است مشکل ایجاد شود زیرا هر نوع OLM تا فاصله خاصی را ساپورت می‌کند. (برخی تا ۴۰۰ متر و برخی تا ۳ کیلومتر و برخی دیگر تا ۱۵ کیلومتر) لذا می‌توان ساختار را با شکل زیر ساده‌سازی کرد تا مشکل فوق برطرف شود.

توپولوژی‌های شبکه بی‌سیم

قبل از اینکه به این بخش بپردازیم باید ILM را معرفی کنیم:

ILM: شبکه بدون سیم که برای پروفی‌باس استفاده می‌شود مبتنی بر روش انتقال نور مادون‌قرمز است. مسافت انتقال سیگنال در این روش کم و حداکثر ۱۵ متر است و برای دستگاه‌های متحرک یا چرخان با فاصله نزدیک مناسب است. وسیله‌ای که برای این انتقال استفاده می‌شود ILM نام دارد که مخفف Infrared Link Module می‌باشد. ILMها به‌صورت جفتی بکار می‌روند و برای تبادل دیتا باید یکدیگر را ببیند. یعنی مانعی بین آنها وجود نداشته باشد.

با استفاده از ILM می‌توان شبکه پروفی باس بدون سیم ایجاد کرد که البته ماکزیمم فاصله ۱۵ متر و ماکزیمم سرعت ۱.۵ Mbps خواهد بود. صرفاً دو نوع ساختار با نام‌های؛ Point to Point و Point to Multipoint برای ILM وجود دارد.

Point to Point

در این روش Subnet مربوط به Slaveها با Subnet دیگر از طریق دو ILM به هم لینک می‌شوند.

می‌توان Subnet دوم را نیز از طریق ILM دیگر به‌صورت Cascade به Subnet سوم وصل کرد.

Point to Multipoint

در این روش Subnet مربوط به Slaveها با Subnet دیگر از طریق دو ILM به هم لینک می‌شوند.

توجه شود که چه در این روش و چه در روش قبل، ترمینیتور هرکدام از Subnetها باید در ابتدا و انتها فعال باشند.

کاربرد پروفی باس

باتوجه‌به توضیحات داده شده مشخص است که پروفی باس عمدتاً برای شبکه‌های صنعتی بخصوص اتوماسیون مورداستفاده قرار می‌گیرد و اگر بخواهیم دقیق‌تر بیان کنیم برای انتقال داده‌های آنالوگ و دیجیتال از این پروتکل استفاده می‌کنیم.

PROFIBUS بدون نیاز به هیچ‌گونه تنظیم خاصی، امکان برقراری ارتباط بین دستگاه‌های مختلف را فراهم می‌کند. از PROFIBUS می‌توان هم برای برنامه‌های کاربردی با سرعت بالا و مهم و هم برای کارهای پیچیده ارتباطی استفاده کرد.

چک‌لیست و استاندارد در پروفی باس

برای استفاده از پروفی باس می‌توانیم از یک چک‌لیست استفاده نماییم که در آن تمام نکات مهم برای بهره‌گیری درست از یک پروفی باس آورده شده باشد، برای راحتی کار شما عزیزان در ادامه ۱۲ مرحله به‌صورت چک‌لیست آورده شده است:

قطب سیم پروفی باس (A = سبز، B = قرمز) باید صحیح باشد.
حداکثر ۳۲ دستگاه یا کمتر در هر بخش.
از خطوط شاخه خودداری کنید.
فقط از کابل و اتصالات پروفی باس استفاده کنید.
باتوجه‌به طول کابل، سرعت کافی Baud rate تنظیم شده است.
اطمینان حاصل کنید که آدرس هر Node به‌درستی تعریف شده است.
کابل را از اتصال کوتاه و خرابی محافظت کنید.
در صورت سرعت انتقال بالاتر، حداقل فاصله بین دو دستگاه حداقل یک متر است.
کابل‌های چند پروفی باس که در یک مجرای فلزی قرار داده شده‌اند، عملکرد خوبی را در هنگام درگیری EMC نشان می‌دهند.
یک دستگاه Slave نمی‌تواند دو Master داشته باشد.

پروفیباس از دو استاندارد مرجع استفاده می‌کند که عبارت‌اند از؛ IEC 61158 و IEC 61784.

این استانداردها جزئیات مربوط به نحوه برقراری هر دستگاه و توصیف ایمنی تبادل اطلاعات را بیان می‌کنند در ادامه زیرشاخه‌های این استانداردها بیان شده است:

IEC61158 (ارتباطات داده دیجیتال برای اندازه‌گیری و کنترل – لایه‌های ارتباطی)
IEC61784-1 (پروفایل‌های ارتباطی)
IEC61784-2 اترنت بی‌درنگ (RTE, Realtime Ethernet)
IEC61784-3 (ارتباط ایمنی)
IEC61784-4 (امنیت)
IEC61784-5 (نصب)

کابل‌کشی پروفی باس

فرآیند و نکات کابل‌کشی اصولاً به محیط و تجهیز مربوطه بسیار وابسته است، در ادامه به بررسی برخی حالات پرکاربرد خواهیم پرداخت.

اجرای کابل در سینی‌ها و داکت‌های فلزی

در بسیاری از کاربرد‌های اتوماسیون صنعتی امکان کابل‌کشی به‌صورت متقاطع وجود ندارد و چاره‌ای جز این نیست که کابل پروفی‌باس به‌موازات سایر کابل‌هایی که دارای Category متفاوتی هستند کشیده شود. حال در چنین شرایطی استفاده از سینی فلزی توصیه می‌گردد که این حالت موازی بودن دو سینی کابل و نزدیک بودن آن‌ها به یکدیگر مشکلی را ایجاد نخواهد کرد.

استفاده از جداکننده در سینی‌های فلزی مشترک

اگر محدودیت ایجاب کند که فقط امکان نصب یک سینی وجود داشته باشد و کابل شبکه با کابل دیگری از Category متفاوت در یک سینی قرار گیرد در این شرایط توصیه می‌شود در وسط سینی یک Separator فلزی بین کابل پروفی‌باس و کابل‌های دیگر قرار گیرد.

زمین کردن بدنه سینی فلزی همانند بدنه تجهیزات لازم است که باید با اتصال مناسب (هادی مسی با اهم پایین و سطح مقطع استاندارد) و طول کوتاه به زمین متصل گردد.

اتصال سینی‌ها به یکدیگر

هرجا که سینی گذاری در فواصل زیاد صورت می‌گیرد نباید سینی‌ها از یکدیگر جدا شوند. در این شرایط اتصال فلزی هم‌جنس خود سینی توصیه می‌گردد. به‌علاوه لازم است دو طرف با هادی مسی مناسب به هم متصل شده و سینی نیز زمین شود.

کابل‌کشی در زمین

کابل پروفی‌باس اگر در زمین کشیده می‌شود لازم است از نوع مناسب باشد که دارای ساختار مقاوم‌تری نسبت به نوع معمولی است.

بدین منظور کابل در عمق ۶۰ سانتی‌متری نسبت به زمین در ترانشه قرار داده و برای جلو‌گیری از ضربه‌های مکانیکی احتمالی، کابل را از یک لوله پلاستیکی عبور دهید. درنهایت بهتر است یک نوار پلاستیکی در فاصله ۲۰ سانتی‌متری نسبت به سطح (۴۰ سانتی‌متر بالاتر از کابل) به‌عنوان هشدار قرار دهید.

سیم هادی هم پتانسیل ساز زمین را در ارتفاع ۲۰ سانتی‌متر بالاتر از کابل پروفی‌باس قرار دهید تا شوک‌های ناشی از صاعقه و … توسط آن تخلیه شود.

فاصله‌گذاری بین کابل‌ها

اگر کاندوئیت فلزی (سیستم لوله‌کشی برق است که از سیم‌‌ها و کابل‌ها در برابر تاثیرات محیطی، رطوبت، بخار و سایر خطرات محتمل، محافظت می‌کند.) وجود ندارد توصیه می‌شود بین کابل پروفی‌باس و کابل‌های قدرت تا ۱۰۰۰V به‌اندازه ۳۰ سانتی‌متر فاصله قرار دهید. برای ولتاژ‌های بالاتر قاعدتاً این فاصله باید بیشتر باشد.

عیب‌یابی پروفی باس

یک بسته نرم‌افزاری پیکربندی و برنامه‌نویسی برای راه‌اندازی شبکه پروفی باس لازم است که شامل؛ تصحیح مشکل تشخیصی شامل پاسخ‌های مربوط به فرآیند، مکانیسم‌های تشخیصی داخلی برای نشان‌دادن مشکلات مربوط به SCADA یا PLC، و یک کابل رابط پروفی باس است. نظارت مستمر در عملکرد پروفی باس می‌تواند برخی از مشکلات مهم را قبل از اینکه منجر به ضرر عمده در تولید شود شناسایی کند. تشخیص از دستگاه‌های مختلف باعث ایجاد یک رویداد می‌شود و گزارش آن یک Alarm قابل ضبط را تولید می‌کند. به‌طورکلی یک مهندس برق برای تصحیح خطاها در شبکه به دو ابزار احتیاج دارد که عبارت‌اند از؛ Function Blockهای تشخیصی و Repeaterهای تشخیصی.

Function Block‌های تشخیصی

Function Block قادر به تشخیص دستگاه‌های Slave است. اطلاعات تشخیصی را می‌توان در یک بلوک داده ذخیره کرد. این بلوک داده سپس می‌تواند در رایانه SCADA نمایش داده شود.

Repeater‌های تشخیصی

Repeater به‌عنوان Slave در شبکه عمل می‌کند و می‌تواند اطلاعات تشخیصی را به Master انتقال دهد. این داده‌های تشخیصی شامل انواع مختلفی از خطاها نظیر شکست کابل پروفی باس، اتصال کوتاه با بدنه سیم، مقاومت ترمیناتور، تشخیص گره‌ها و غیره می‌باشد. مکان و نوع گسل موجود در کابل را می‌توان به‌صورت متنی و گرافیکی نمایش داد.

بررسی کیفیت کابل

یک آنالایزر فیلدباس برای تعیین کیفیت پروتکل و یک اسیلوسکوپ برای تأیید کیفیت سیگنال ارتباطی نیاز است، به‌عنوان‌مثال؛ اتصال کوتاه، قطع سیم، خطای خاتمه و … می‌توانند در این فرآیند اندازه‌گیری و تشخیص داده شوند.

اختلال در کابل برق

رابط پروفی باس می‌تواند با تداخل ناشی از کابل برق که در نزدیکی کابل‌های پروفی باس قرار گرفته است، مختل شود. حداقل ۱۰ سانتی‌متر فضای هوایی بین پروفی باس و کابل برق باید حفظ شود. همچنین محافظ الکتریکی مناسب برای جلوگیری از تداخل ضروری است.

مزایا و معایب پروفی باس

در ادامه به برخی از مزایا و معایب استفاده از پروفیباس خواهیم پرداخت.

مزایا

کاهش سیم‌کشی و در نتیجه سهولت مهندسی و نصب.
مونتاژ سریع‌تر و کاهش خطاها.
بیش از ۱۰۰ دستگاه می‌توانند در روز راه‌اندازی شوند.
یک نفر می‌تواند راه‌اندازی را کامل کند. دیگر نیازی به شخص دوم در این زمینه برای یافتن و “فعال‌کردن” ابزاری برای بررسی حلقه نیست.
خطاهای ارتباطی می‌توانند از اتاق کنترل بررسی شوند.
هیچ کالیبراسیون ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر لازم نیست زیرا دستگاه دیجیتال طیف وسیعی از مقادیر فرآیند را اندازه‌گیری می‌کند.
پیکربندی تنظیمات نسبت به سایر پروتکل‌ها به شدت ساده‌تر است.
اطلاعات تشخیصی برای تعمیر و نگهداری فقط در صورت برنامه‌ریزی یا مواقع خاص انجام می‌شود.
نیازی به یافتن ابزار مخصوص در کارخانه نیست.
خودآزمایی و عملکردهای اصلاحی در دستگاه‌های زمینه.
به دلیل بهره‌بردن از واسطه‌های انتقال مانند کابل TP دارای نویزپذیری کمی هستند.
به دلیل استفاده از روش‌های انتقال مناسب مانند RS485 از پهنای باند وسیع برخوردار می‌باشند.
به‌خاطر استفاده از روش دسترسی TOKEN PASS تبادل دیتای مطمئن و بدون تداخلی را ایجاد می‌کنند.
به‌خاطر Open بودن و عدم انحصار به سازنده خاص، در راستای توسعه سیستم انعطاف‌پذیری زیادی دارد.

معایب

ماکزیمم سرعت پروفی باس در حدود Mbps می‌باشد.
کابل پروفی باس تقریباً گران‌قیمت است.
توسعه‌دهنده طول پروفی باس (Profibus distance extender) گران‌قیمت است.
به دلیل کار در مد Master/Slave در صورت ایجاد خطا در Master کل فرآیند انتقال پیام با اختلال روبه خواهد شد.

تاکنون در مورد پروفی باس صحبت کردیم اجازه دهید نگاهی هم به پروفی نت داشته باشیم و درنهایت تفاوت این دو پروتکل را بیان نماییم.

تعریف پروفی نت

PROFINET مبتنی بر Ethernet استاندارد است، همان اترنتی که ممکن است در خانه یا محل کار خود مشاهده کرده باشید. درست مانند PROFIBUS، در یک شبکه PROFINET، شما؛ PLC، PAC، DCS، سنسورها، محرک‌ها، ربات‌ها، تگ‌های RFID و سایر IO‌ها را دارید.

مشابه پروفی‌باس، پروفی نت همچنین به کاربران امکان می‌دهد تا با استفاده از مکانیزم‌های توزیع‌شده IO در هزینه‌های سیم‌کشی و نصب صرفه‌جویی کنند. کاربران پروفی‌نت در هنگام طراحی شبکه انعطاف‌پذیری بیشتری دارند.

برای پروفی‌نت انواع گزینه‌های توپولوژی مختلف نیز مانند؛ خط، ستاره، درخت و حلقه وجود دارد. همچنین، ازآنجاکه شبکه‌های PROFINET مبتنی بر اترنت هستند، سوئیچ‌های تخصصی موردنیاز نیستند.

یکی از مزیت‌های خوب پروفی نت امکان استفاده و ایجاد انعطاف‌پذیری در سیستم با استفاده از سوئیچ‌های استاندارد می‌باشد. با استفاده از سوئیچ‌های ۱۰۰ مگابیت در ثانیه دوبلکس به‌راحتی می‌توانید به این هدف دست یابید.

پروفی نت تیپ A

رایج‌ترین کابل مورداستفاده در این گروه، کابل پروفی نت تیپ A می‌باشد. کابل از چهار رشته سیم با سطح مقطع گرد تشکیل شده که به‌صورت دو زوج به هم تابیده شده، به‌صورت متقارن داخل ساختار کابل جای گرفته‌اند و علاوه بر دولایه محافظ (لایه پلاستیکی و فویل آلومینیومی)، یک‌لایه شیلد مسی دور مجموعه رشته سیم‌ها را فراگرفته است. از این نوع کابل‌ها که دارای روکش از جنس PVC و به رنگ سبز می‌باشند عموماً در کاربردهای صنعتی برای نصب ثابت (به‌عنوان‌مثال داخل سینی کابل) استفاده می‌گردد. ضمناً کابل‌های تیپ A با چهار زوج سیم به هم تابیده شده نیز موجود بوده و عمدتاً در شبکه اترنت صنعتی جهت انتقال داده‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند.

پروفی نت تیپ B

از کابل‌های تیپ B عموماً در کاربردهایی که نیازمند انعطاف‌پذیری بالا و تجهیزات دارای ارتعاش هستند استفاده می‌شود.

پروفی نت تیپ C

از کابل‌های تیپ C، عموماً در دستگاه‌های سیار یا بخش‌های متحرک ماشین‌آلات و تجهیزات استفاده می‌گردد.

کابل‌های پروفی نت تیپ C که جهت نصب روی دستگاه‌های سیار یا بخش‌های متحرک ماشین‌آلات و تجهیزات سفارشی‌سازی شده استفاده می‌شود به کابل‌های پروفی نت «Trailing» مشهور هستند. در ساختار این نوع از کابل‌ها، بجای سیم‌های مسی، مجموعه‌ای از رشته‌های نازک مسی به هم تابیده شده است تا انعطاف‌پذیری و خمش کابل افزایش یابد. عایق این نوع از کابل‌ها معمولاً عاری از هالوژن و مقاوم در مقابل روغن و گریس انتخاب می‌شود. کابل‌های «Festoon» نیز نوع دیگری از کابل‌های تیپ C هستند که از ساختار مشابهی با کابل‌های Trailing برخوردار بوده و در کاربردهایی همچون جرثقیل‌ها و ماشین‌آلات متحرک روی ریل مورداستفاده قرار می‌گیرند.

پوشش کابل پروفی نت

PVC، عمومی‌ترین عایق مورداستفاده برای پوشش خارجی کابل‌های پروفی نت می‌باشد. این ماده در محدوده دمایی ۳۰- تا ۷۰+ درجه سانتی‌گراد و در مقابل آب، نمک، الکل، روغن و اسید ضعیف مقاوم است. پلی‌اتیلن (PE)، عایق پرکاربرد دیگری است که در محیط‌های سخت صنعتی از مقاومت بالاتری نسبت به PVC برخوردار بوده و به طور خاص برای محیط‌های با رطوبت زیاد مورداستفاده قرار می‌گیرد. کابل‌های با عایق PE، مشکی رنگ بوده و در صورت عدم استفاده از مواد ضد اشتعال در ساختار کابل، علی‌رغم مقاومت در مقابل اشعه UV، قابل اشتعال می‌باشند.

در صورت نصب داخل زمین، از یک‌لایه عایق PE اضافی روی کابل‌ها با پوشش PVC استفاده می‌گردد. این نوع از کابل‌های پروفی نت که دارای دولایه روکش خارجی می‌باشند، به‌عنوان کابل‌های پروفی نت زمین شناخته می‌شوند.

تفاوت پروفی باس و پروفی نت

پروفیباس یک فیلدباس سریال کلاسیک است؛ پروفینت یک اترنت صنعتی است. به طور خلاصه، پروفی نت با پهنای باند بیشتر و پیام‌های بزرگ‌تر و سریع‌تر است. در نظر داشته باشید که هر دو این پروتکل‌ها توسط یک سازمان ساخته شده‌اند.

تفاوت فنی

شبکه‌های PROFIBUS (مبتنی بر RS-485) می‌توانند تا سرعت ۱۲ مگابیت در ثانیه انتقال اطلاعات کنند.

شبکه‌های پروفی‌نت به‌سرعت ۱۰۰ مگابیت در ثانیه یا حتی ۱ گیگابیت در ثانیه و بالاتر دست می‌یابند و هیچ محدودیتی در فضای آدرس وجود ندارد ولی سازندگان تجهیزات بر اساس مشخصات سخت‌افزاری محدودیت‌هایی برای تعداد آدرس‌ها اعمال می‌کنند.

حرکت از RS-485 به اترنت حرکت به سمت فناوری مدرن‌تر است. ازآنجاکه PROFINET بر بستر اترنت است، با پیشرفت اترنت تجاری، پروفی‌نت نیز از مزایای آن استفاده می‌کند. به‌عنوان‌مثال؛ هنگامی‌که PROFINET شروع به کارکرد، استاندارد اترنت ۱۰۰ مگابیت در ثانیه بود و در حال حاضر، PROFINET می‌تواند به‌راحتی در گیگابیت اترنت (Gigabit Ethernet) و بالاتر اجرا شود. انتقال به پایگاه اترنت پهنای باند بالاتر، اندازه پیام بزرگ‌تر و فضای نامحدود آدرس را فراهم می‌کند.

تفاوت مکانیزم مبادله داده‌ها

تفاوت مهم دیگر بین PROFIBUS و PROFINET مکانیسم تبادل داده است. پروفی‌باس از تعامل Master و Slave استفاده می‌کند، درحالی‌که PROFINET از یک مدل ارائه‌دهنده مصرف‌کننده (Consumer Provider Model) استفاده می‌کند.

در تعامل Master و Slave، مستر کنترل یک‌طرفه‌ای بر کلیه دستگاه‌های Slave دارد. کنترل‌کننده همیشه مستر خواهد بود و دستگاه‌های IO همیشه Slave خواهند بود این در حالی است که مدل ارائه‌دهنده مصرف‌کننده انعطاف‌پذیرتر است.

در شبکه‌های PROFINET، کنترل‌کننده‌ها و دستگاه‌های IO می‌توانند نقش مصرف‌کننده و ارائه‌دهنده (Master و Slave) را برعهده بگیرند و از ماهیت دوبلکس کامل اترنت استفاده کنند. کنترل‌کننده، داده‌های خروجی را به‌عنوان ارائه‌دهنده به دستگاه‌های IO پیکربندی‌شده ارائه می‌دهد و مصرف‌کننده داده‌های ورودی از دستگاه‌های IO است. به زبان ساده‌تر دستگاه IO ارائه‌دهنده داده ورودی و مصرف‌کننده داده خروجی است.

پروفی باس و پروفی نت در صنعت

پروفی‌باس و پروفی‌نت هر دو جزو رهبران اثبات‌شده و پیشتازان شبکه در صنعت هستند. هر دو برای انجام نیازهای اتوماسیون پیچیده در برنامه‌های کنترل PID، گسسته، فرآیند، ترکیبی و کنترل حرکت مناسب هستند. منطقی است که پروفی‌باس به‌واسطه قدمت آن، شیوع بیشتری دارد. پروفی‌نت فناوری جدیدتری است و هنگام معرفی آن، ده‌ها میلیون دستگاه PROFIBUS نصب‌شده بود. بین این دو، از دیدگاه فنی و حفظ سرمایه، PROFINET برنده آشکار است.

کدام‌یک را انتخاب نماییم

در پروژه‌ای که از قبل PROFIBUS وجود دارد، می‌توانید به افزودن گره‌های PROFIBUS ادامه دهید. اگرچه در صورت نیاز به اترنت، اضافه‌کردن یک پروژه کوچک PROFINET منطقی به نظر می‌آید. توصیه می‌شود برای یک پروژه جدید با PROFINET شروع کنید، پروفی‌نت قطعاً شبکه آینده است!

سخن پایانی

پروفی‌باس همچنان در اغلب موارد که نیاز به انتقال داده‌های حجیم نیست گزینه شماره یک مهندسین طراح هست با این حال آینده برای پروفی‌نت هست و اندک‌اندک آن را در شبکه‌های اتوماسیون حتی در داخل ایران شاهد هستیم، به یاد داشته باشید که همواره تکنولوژی جدیدتر کار را برای ما طراحان ساده‌تر از قبل می‌کنند پس اگر قرار بر انتخاب شد ابتدا با کارفرمای خود در مورد هزینه‌ها توافق کنید و اگر مسئله‌ای نبود بدون هیچ تردیدی از پروفی‌نت استفاده نمایید.

سرفصل مطالب

جهت ارتباط با کارشناسان شرکت نیرونوین، دریافت مشاوره رایگان در رابطه با تجهیزات اتوماسیون صنعتی و خرید تجهیزات

با ما تماس بگیرید

۳۶۱۲۵ (۰۲۵)

ارسال دیدگاه