سیستمهای فیلدباس FieldBus ,سیستمهای کنترلی توزیع شده یا DCS وپروفی باس Profibus
در بين تكنولوژيهاي موجود در سيستمهاي كنترل و ابزاردقيق ، سيستم پروسس فيلدباس يا پروفيباس (Profibus) داراي كارايي بالاتر بوده و در صنعت از مقبوليت بيشتري برخوردار شده است.
ظهور اين تكنولوژي در ابتدا جهت جايگزيني سيستم ديجيتال بجاي سيستم آنالوگ 4—20mA بود واز سال1980 با پيدايش تجهيزات هوشمند ، روند تكميل و توسعه اين تكنولوژي شتاب بيشتري يافت. اين تجهيزات با استفاده از ميكروپروسسور و مدارات جانبي ديگر، قابليت انتقال اطلاعات بيشتري نسبت به ديگر تجهيزات دارند. مشكل ارتباطات آنالوگ متعارف كه در واقع گلوگاه سيستمهاي پروسس مي باشد، توسط اين ارتباط ديجيتال برطرف شده است.
2-معرفي
فيلد باس يك اصطلاح عام براي توصيف شبكه هاي ارتباطي ديجيتال جديد در صنايع ميباشد. كه جايگزين سيگنالهاي آنالوگ 4-20mA ميگردد. در اين شبكه هاي ديجيتال انتقال اطلاعات دو جهته بوده و اطلاعات بصورت سريال منتقل ميگردد. مي توان تجهيزات مختلفي از قبيل كنترلرها، مبدلها ، اكچويترها ، سنسورها ونظير آنها را به شبكه متصل نمود. نصب تجهيزات در اين شبكه از هزينه پايينتري نسبت به روشهاي ديگر برخوردار مي باشد. هر وسيله داراي فانكشنهاي ساده اي جهت تشخيص عيب ، كنترل و نگهداري خود ميباشد. با اين تجهيزات مهندسين نه تنها قادر به ايجاد ارتباط با وسائل فيلد باس خود را دارند بلكه قادر به ايجاد ارتباط با ساير شبكه ها نيز ميباشند. قابليتهاي بالاي فيلدباس باعث شده كه سيستمهاي كنترل متمركز جايگزين سيستمهاي گسترده كنترل شده و با توجه به جايگزين شدن اين تكنولوژي بجاي سيستمهاي 4-20 mA موجود ويژگي ارسال و دريافت اطلاعات بصورت ديجيتال باعث ارتقا كيفيت ارتباط شده است . استفاده از سيستم فيلدباس باعث كاهش هزينه ها و افزايش راندمان ميگردد. يك ويژگي مهم اين شبكه ها استفاده از تنها يك زوج سيم تابيده جهت اتصال تجهيزات كنترلي به آن ميباشد. درصورتيكه در سيستمهاي آنالوگ هر ديوايس بايد باسيمهاي مجزا به مركز كنترل مرتبط گردد. هر فيلد ديوايس مي تواند عمليات كنترل خود و نيز تشخيص عيب و نگهداري خود را بعهده بگيرد پس مي توان نتيجه گيري كرد كه در صورت نياز به تعمير و يا نياز به كاليبره شدن ، ديوايس مي تواند گزارش لازم را ارسال نمايد كه اين باعث افزايش راندمان وكاهش حجم نگهداري سيستم ميشود.
3- مزاياي استفاده از فيلد باس
مزاياي فيلدباس درتمام دوره زندگي كارخانه شما مشهود ميباشد. در هنگام طراحي و نصب، در هنگام عمليات و تعمير و نگهداري . همچنين قابليت تعويض پذيري ( Interoperability ) نيز به آنها اضافه ميشود.
3-1- طراحي و نصب
در سيستم فيلدباس دستگاههاي زيادي ميتوانند فقط با يك زوج سيم تابيده به يكديگر متصل شوند. بدين معني كه به كابل و سيم كمتر ، به Safty barrier كمتر و نيز به Marshaling box كمتر نياز بوده و در نتيجه هزينه نصب كاهش مي يابد . همچنين اتصال چندين ديوايس به يك باس منفرد باعث كاهش ورودي/خروجي تجهيزات كنترلي كه در برگيرنده كابينت و منبع تغذيه و Card files است ميشود.
هزينه هاي مهندسي و نيز راه اندازي بعلت سادگي برنامه ريزي و نيز Link شدن راحت جهت ساخت سيستم يكپارچه كنترلي در سطح Device level ، كاهش مي يابند
3-2- عمليات
با اجراي تكنولوژي فيلدباس مزاياي عملياتي چشمگيري حاصل خواهد شد. فيلد باس اجازه ميدهد كه متغيرهاي متنوع از هر ديوايس به سيستم اتوماسيون پروسس جهت ذخيره سازي ، آناليز ، پروسس و تهيه گزارش ارسال شوند. اين بدين معني است كه سيكل عملياتي بهتر، ناپايداري كمتر و كنترل بهتر خواهد شد. و همجنين با هزينه كمتر جهت كنترل در سيستم فيلد باس شما توانايي مالي اجراي لوپهاي كنترلي كه در سيستم متعارف 4-20 mA قابل تامين نبودند را خواهيد داشت. يعني افزايش كنترل روي تمام پروسس مقدور ميباشد در صورتيكه فقط قبلا قادر به تامين هزينه اجراي كنترل روي قسمتهاي بحراني بوديد.
3-3- تعمير و نگهداري
استفاده از فيلد باس ميتواند انقلابي در عمليات تعمير و نگهداري شما ايجاد كند. اين مفهوم كه هر ديوايس قادر به تست خود و نيز ارتباط (توسط سيستم ميكروپروسسوري خود ) با فيلد باس را دارا ميباشد باعث ميشود كه ضريب اطمينان كارخانه و نيز زمان تعطيلي بعلت خرابي دستگاهها شديدا كاهش يابد. شما ديگر نيازي به ارسال تعميركار جهت چك كردن ديوايسهايي كه احتمال خرابي آنها را ميدهيد، نمي باشيد زيرا درسيستم فيلد باس هنگام خرابي ، هر دستگاه گزارش خطا را ارسال مي نمايد.
3-4- قابليت تعويض پذيري
قابليت تعويض پذيري به معني توانايي كار كردن با ديوايسهاي مختلف ، بدون وابستگي به نام سازنده و نيز بدون كاهش تعداد مينيمم فانكشنها در يك سيستم ميباشد. اين بدين معني است كه قابليت انعطاف بيشتر در انتخاب سازنده را هنگامي كه تمام ديوايسها ميتوانند بدون مارك مشخص دركنار هم كار كنند به شما ميدهد .
4-استانداردهاي فيلد باس
امروزه استانداردهاي متعددي براي فيلدباس وجود دارد كه هركدام از اين استانداردها توسط سازنده هاي متفاوت در زمانهاي مختلف و نيز براي مقاصد گوناگون طراحي و بوجود آمده اند . انتخاب فيلدباس مناسب بستگي به كاربرد آن در صنعت خاص خواهد داشت.
4-1- Profibus DP
پروتكل Profibus DP مشخص كننده روش انتقال اطلاعات بين ايستگاههاي باس ميباشد . اطلاعات كاربر در پروتكل ارزيابي نشده بلكه آنها در پروفايل Profibus DP مشخص ميشوند. سازنده هاي پيشرو در ساخت درايو بصورت مشاركتي يك پروفايل بنام پروفي درايو PROFIDRIVE را تعريف نموده اند كه در آن نحوه پارامتريزه شدن درايوها و نيز نحوه انتقال تنظيمات درايوها و مقادير اندازه گيري شده مشخص شده اند.
4-2-LonWork
تكنولوژي فوق توسط شركت Echolon توسعه يافته و در اكثر كاربردهاي صنعتي ، اتوماسيون ساختمانها ، كنترل الكترونيكي و صنايع پزشكي استفاده ميشود. هدف اين فيلد باس مهيا كردن شبكه غير وابسته به سازندگان معمول ديوايسهاي هوشمند ميباشد. در اين شبكه نياز به طراحيMaster/Slave يا Central نبوده و گره ها در شبكه با يكديگر از طريق پروتكل LonTalk ميتوانند ارتباط برقرار نمايند. درايوهاي شركت وكن نيز قابليت پشتيباني كردن اين شبكه را توسط كارت Option دارا ميباشند. با اين پروتكل ميتوان به تمامي پارامترهاي درايو دسترسي داشته ونيز ميتوان آنها را بصورت مستقيم كنترل نمود. توسط يك زوج سيم معمولي ميتوان در اين شبكه با سرعت 78 Kbit/s اطلاعات را انتقال داد.
4-3- Interbus-S
Interbus-S يك شبكه براي ارتباطات سرعت بالا جهت سنسور / اكچويتورها ميباشد. توسط اين شبكه هم ديوايسهاي I/O و هم اكچويتورهاي هوشمند مانند درايوها مي توانند كنترل شوند. با توپولوژي Interbus-S ميتوان زمان پاسخ را زير 10 ms رساند. در اين شبكه از سيستم رينگ استفاده شده كه در آن يك سيستم Host وجود دارد. سيستم Host مي تواند يك PLC يا يك PC صنعتي و يا يك سيستم اتوماسيون باشد. كابل ارتباطي ريموت از سيستم Host شروع ميشود. در اين سيستم براي مسافتهاي طولاني بايد ازكابل باس ريموت استفاده كرد . ديوايسهايي كه به اين شبكه متصل ميشوند بايد قابليت Repeat كردن را داشته باشند.در صورتيكه فاقد فانكشن Repeat باشند بايدفقط در باس Local استفاده شوند. درايوهاي وكن قابليت اتصال به اين شبكه را بصورت ديوايس با باس Remote را دارد. Interbus-S ايده آل جهت شبكه هاي متوسط براي استفاده از درايوهاي دايناميك ميباشد. اينترفيس اطلاعات I/O (از قبيل استارت / استاپ، تنظيم سرعت ، غيره ) و نيز اينترفيس پارامتر (از قبيل مينيمم سرعت ، زمان شتابگيري ، غيره ) توسط يك كابل باس مهيا ميشود. Interbus-S اطلاعات I/O را در يك كانال پردازشگر اطلاعات با دايناميك مورد نظر انتقال ميدهد. كارتهاي option شركت وكن پروفايل 21 براي فركانس كانورتورها كه توسط گروه DRIVECOM آماده شده را پشتيباني كرده و تمامي استانداردها و فانكشنهاي استاندارد اين شبكه را تضمين مي كند.
4-5- Modbus
پروتكل Modbus يك سيستم ارتباطي صنعتي و كنترلي توزيع شده براي PLC ، كامپيوترها ، ترمينالها و ساير سيستمهاي مونيتورينگ و ابزارهاي كنترلي مباشد . Modbus يك پروتكل ارتباطي به شكل Master/Slave مي باشد . Master تمام فعاليت سيستم سريال را با انتخاب ترتيبي يك يا چند Slave كنترل ميكند. پروتكل براي كنترل يك ديوايس Master و حداكثر 247 ديوايس Slave در يك خط مشترك ساخته شده است . براي هر ديوايس يك آدرس در نظر گرفته شده تا بتوان آن را از ساير ديوايسهاي متصل به خط تشخيص داد . پروتكل Modbus از تكنيك Master/Slave استفاده كرده كه در آن تنها يك ديوايس Master ميتواند يك فرايند را آغاز كند . ساير ديوايسها ( Slave ) با آماده كردن اطلاعات خواسته شده به Master پاسخ داده ويا توسط اجراي فانكشن خواسته شده ماموريت خود را انجام ميدهند . Master ميتواند Slave هاي مجزايي را آدرس دهي كند و يا اينكه يك پيغام مشترك براي تمامي Slave ها ارسال نمايد. Slave ها يك پيام پاسخ به درخواست اختصاصي خود داده ولي به درخواست مشترك پاسخي نميدهند. درايوهاي وكن توسط يك كارت option به شبكه Modbus متصل ميشوند . رابط فيزيكي همان استاندارد RS485 ميباشد (ايزولاسيون نوري ) . كارت option ميتواند با يك شبكه استاندارد Modbus با استفاده از مد RTU ارتباط برقرار كند. اين كدهاي فانكشن 1..6 و پيغامهاي مشترك را پشتيباني ميكند. پارامترهاي خط سريال (Baud Rate ، Parity type ، آدرس Slave ، وغيره ) توسط پانل كنترل ميتواند تغيير كند.
4-6- Device Net
Device Net يك سيستم شبكه اي باز بر اساس پروتكل CAN ميباشد كه براي كنترل صنعتي ديوايسها طراحي شده است كه با هزينه پايين با يكديگر ارتباط برقرار نمايند . Device Net يك مدل شي انتزاعي مي باشد كه سرويس ارتباطي قابل دسترسي و مناسب را ارائه مينمايد و رفتار يك گره را توصيف ميكند. اكثر ديوايسهاي كنترل صنعتي سطح پايين امروزي بايد با هزينه پايين قابليت اتصال مستقيم به شبكه را داشته باشند . Device Net با توجه به تعريف يك سيستم Master/Slave جوابگوي اين نياز ميباشد. درايوهاي وكن توسط كارت option ميتواند به اين شبكه وصل شود. درايو توسط سيستم Host ميتواند كنترل، مانيتورينگ و برنامه ريزي شود.
5 – چارت مقايسه فيلد باس هاي متداول
جدول زير فيلد باسهاي متداول را بطور خلاصه مقايسه ميكند.
نام فيلد باس بنيانگذاران سال معرفي استانداردها Openness
PROFIBUS DP/PA Siemens DP-1994, PA-1995 EN 50170 / DIN 19245 part 3(DP) /4 (PA), IEC 1158-2 (PA) ASICs from Siemens and Profichip, Products from over 300 vendors
INTERBUS-S Phoenix Contact, Interbus Club 1984 DIN 19258
EN 50.254 Products from over
400 manufacturers
DeviceNet Allen-Bradley March 1994 ISO 11898 &11519 17 chip vendors, 300+ product vendors, Open specification
ARCNET Datapoint 1977 ANSI/ATA 878.1 Chips, boards, ANSI docs
AS-I AS-I Consortium Fall 1993 Submitted to IEC AS-II.C. Market item
Foundation Fieldbus H1 Fieldbus Foundation 1995 ISA SP50/IEC 61158 Chips/software/products from multiple vendors
Foundation Fieldbus High Speed Ethernet (HSE) Fieldbus Foundation In development – lab test phase, Prelim spec available to members IEEE 802.3u
RFC for IP, TCP & UDP Multitude of suppliers for Ethernet components, Extremely low cost
IEC/ISA SP50
Fieldbus ISA & Fieldbus F. 1992 – 1996 IEC 1158/ANSI 850 Multiple chip vendors
Seriplex APC, Inc. 1990 Seriplex spec Chips available multiple interfaces
WorldFIP WorldFIP 1988 IEC 1158-2 Multiple chip vendors
LonWorks Echelon Corp. March 1991 Public documentation on protocol
SDS Honeywell Jan., 1994 Honeywell Specification, Submitted to IEC, ISO11989 17 chip vendors,
100+ products
ControlNet Allen-Bradley 1996 ControlNet International Open Specification, 2 Chip Vendors
CANopen CAN In Automation 1995 CiA 17 chip vendors, 300 product vendors, Open specification
Ethernet DEC, Intel, Xerox 1976 IEEE 802.3, DIX v. 2.0 Multitudes of Chips and Products
Modbus Plus Modicon Proprietary, requires license/ASICs
Modbus RTU/ASCII Modicon EN 1434-3 (layer 7)
IEC 870-5 (layer 2) Open specification, no special hardware required
Remote I/O Allen-Bradley 1980 Proprietary
Data Highway Plus (DH+) Allen-Bradley Proprietary
6-مقدمه اي بر پروفي باس (Profibus)
6-1 مفهوم كلي
پروفي باس يك فيلد باس(FieldBus) مستقل از سازنده و باز (open) است كه براي انتقال ديتا بصورت سريال براي دامنه وسيعي از كابردها ي توليدي ، كنترل فرآيند ها و اتوماسيون صنعتي بكار مي رود.
ويژگي استقلا ل از سازنده و ويژگي بازبودن (openess) در پروفي باس با استاندارد EN50170 تضمين مي شود. در پروفي باس ديوايس هاي توليد كنندگان مختلف مي توانند بدون نياز به تنظيمات خاص با هم ارتباط برقرار كنند.
پروفي باس هم در انتقال داده ها با سرعت بالا (در كاربردهائي كه زمان اهميت داشته باشد) و هم در ارتباطات بسيار پيچيده بكار مي رود . خانواده پروفي باس از سه نوع سازگار با هم شامل Profibus DP ، Profibus PA و Profibus FMS تشكيل شده است.
6-2 پروفي باس در يك نگاه
پروفي باس: پروفي باس رايجترين فيلدباس( (Fieldbusدنيا است.
منشاء و سرآغاز: دولت آلمان هنگام كار با توليد كنندگان سيستم هاي اتوماسيون، براي اولين بار پروفي باس را بر روي تراشه هاي ASIC كه توسط سازنده هاي مختلف توليد شده بودند اجرا كرد. عمليات مذكور بر اساس الزامات استاندارد RS485 واستاندارد اروپايي EN50170 انجام شد.
فرمت(Format) : پروفي باس DP (Master/Slave) ،پروفي باسFMS (Multi Master/ peer to peer) و پروفي باس PA (ذاتا ايمن (Intrinsically Safe
كانكتورها : كانكتور 9 پين از نوع D – Shell (Impedance Terminated) و يا كانكتور 12 mm سريع جدا شونده
(Quick – disconnect)
بيشترين تعداد گره ها (nodes) : 126 گره
طول كابل: 100 متر تا 24 كيلومتر( در صورت استفاده از تكرار كنند ه ها (repeater) يا انتقال بوسيله فيبر نوري )
سرعت انتقال داده Baud Rate : 9600 تا 12 مگابايت بر ثانيه .
اندازه پيغام (Massege) : تا 244 بايت ديتا در هر گره در هر پيغام
فرمت پيغام : سركشي (polling) و Peer to Peer
سازمانهاي بين المللي پشتيباني كننده : سازمان تجاري پروفي باس [تنها کاربران عضو شده قادر به دیدن لینک ها هستند.. ]
كاربردهاي نمونه : كاربردها نوعا در زمينه كنترل فرآيند، خطوط توليد پيچيده و ماشين هاي جابجائي مواد است .
در اينجا از يك كابل كه سنسورهاي متعدد، شيرها ، درايوها ، و ساير ديوايسها و تجهيزات كه بعنوان ورودي و خروجي به آن متصل شده است ، استفاده ميشود.
مزايا : پروفي باس معمول ترين و گسترده ترين استاندارد شبكه اي بين المللي است. اين روش در اروپا عموميت پيدا كرده و در آمريكاي شمالي، جنوبي و قسمتهايي از آفريقا و آسيا نيز رايج است. پروفي باس قادر است مقادير زيادي از اطلاعات را جابجا كند.
ورژنهاي پروفيباسPA , FMS ,DP در مجموع براي اكثريت قريب به اتفاق كاربردهاي اتوماسيوني مناسب هستند.
معايب : پيغامهاي با ديتاي كم، حجم نسبتا زيادي دارند. هزينه اجراي اين سيستم كمي بالاتر از سيستمهاي مشابه است.
6-3- پروفي باس DP
پروفي باس نوع DP براي سرعت بالا و اتصالات(HOOKUP) كم هزينه بهينه شده است . طراحي اين نوع پروفي باس مخصوص ارتباط بين سيستم كنترل اتوماسيون و ورودي خروجيهاي توزيع شده، در سطح ديوايس (DEVICE LEVEL) صورت گرفته است. پروفي باس DP براي جايگزين كردن انتقال موازي سيگنال با 24V يا 0-20 mA ميتواند بكار رود.
6-4- پروفي باس PA
اين پروفيباس مخصوص اتوماسيون فرآيند طراحي شده است. امكان اتصال سنسورها و اكچويترها(Actuator) به يك خط باس مشترك حتي در محيطهاي ذاتاً امن وجود دارد. در پروفي باسPA انتقال اطلاعات و تغذيه باس را با استفاده از دو سيم طبق استاندارد بينالمللي IEC 1158-2 ميتوان انجام داد.
6-5- پروفي باس FMS
پروفيباس نوع FMS راهحلي همه منظوره براي امور انتقال اطلاعات در سطح سلولي (Cell Level) است. سرويسهاي قدرتمند FMS بازه وسيعي از كاربردها را شامل شده و انعطاف پذيري بسيار خوبي دارند. پروفيباسهاي FMS را در امور ارتباطي بسيار پيچيده و پر هزينه ميتوان استفاده كرد.
پروفي باس مشخصات عملكردي و تكنيكي سيستم فيلدباسي سريال را تعيين مي كند كه در آن كنترلكنندههاي ديجيتالي تمركز زدايي شده (Decentra Lized )، ميتوانند با هم از سطح فيلد (Field Level) به سطح سلول (Cell Level) شبكه شوند. پروفيباس بين ديوايس Master و Slave تمايز قائل ميشود.
ديوايس هاي مستر انتقال اطلاعات در باس را مشخص ميكنند. يك مستر قادر است وقتي باس را در اختيار دارد بدون هيچ درخواست خارجي (External request) پيغامهايي را ارسال كند . در پروتكل پروفيباس، مسترها را ايستگاه هاي فعال (active staton ) نيز مي نامند .
ديوايسهاي اسليو ديوايس هاي جانبي هستند . چند نمونه از ديوايس هاي اسليو عبارتند از : ديوايسهاي ورودي-خروجي، سوپاپها ، درايورها ، ترنسميترهاي اندازه گيري .
اسليوها امكان در اختيار گرفتن باس را بطور مستقيم ندارند و تنها مي توانند از پيغامهاي كه دريافت مي كنند مطلع شوند و وقتي به آنها اجازه داده شود ، پيغامهايي را براي MASTER ارسال كنند .SLAVE ها را ايستگهاههاي غير فعال (PASSIVE STATION) نيز مي گويند .
پاسخ با نقل قول
