آشنایی مختصر با Profibus

بسم الله الرحمن الرحیم

دوستانم سلام

تو این پست تصمیم دارم در مورد پروفیباس یک مطلبی در حدود ۱۰-۱۵ صفحه بنویسم صرفا جهت آشنایی مقدماتی با این پروتکل

فقط به یاد داشته باشیم که پروتکل پروفی باس که جزو مقوله های شبکه های صنعتی میشه خیلی خیلی بیشتر از ۱۵ صفحه حرف برای گفتن داره که این همت شما عزیزانو میطلبه تا بتونین با ماهیت شبکه های صنعتی که از ارکان اساسی دانش یک مهندس کنترل هست آشنا بشین

به ادامه مطلب توجه بفرمایید

بعد از ظهور کنترلر های plc  و فراگیر شدن آن سپس جایگزین آن با مدارات رله ای بحث کنترل غیر مترمکز مطرح شد که اولین این سیستم ها سیستمهای DCS بود.

در درهه 1970 با توسعه شبکه های کامپیوتری ,  این شبکه ها به عنوان ابزاری در خدمت اوتوماسیون صنعتی قرار گرفت  که در دهه 1990 برای اولین بار شبکه های صنعتی تحت عنوان Fieldbus  به کار گرفته شدند.

مزایای Fieldbus شرح زیر میباشد

1.     کاهش فضای اشغال شده توسط تجهیزات

2.     کاهش حجم کابل و کابل کشی

3.     نویز پذیری بسیار کم

4.     عیب یابی راحت تر

5.     امکان نصب و پیاده سازی محصولات دیگر شرکت های مختلف بر روی شبکه

Profibus  در ابتدا در آلمان مطرح شد.کمپانی هایی دور هم گرد آمدند تا پروژه ای تحت استاندارد سازی شبکه در سطح Field  آغاز کنند .

هدف آنها ایجاد شبکه ای باز بود تا بتوانند سیستم های کنترل موجود مانند PLC  و DCS  را پوشش دهند.که بعد از مدتی Profibus FMS  ارائه شد که این پروتکل جهت ارتباطات پیچیده کنترلی به کار میرفت.

بعد از Profibus DP ,Profibus FMS  طراحی شد که از این پروتکل به منظور پوشش دادن نیاز های مربوط به محیط های خطر ناک و انفجاری عرضه شد.

سازمانی با نام اختصاری PNO (Profibus Neutzer Organization)  ایجاد شد که هدف اصلی آن توسعه و بهبود تکنولوژی Profibus  بود.این سازمان بعدا با نام PI (Profibus International)  شناخته شد.

برای به کار بردن پروتکل های مختلف در پروژه های مختلف باید دید کدام پروتکل در کجای پروژه باید مورد استفاده قرار گیرد لذا با توجه به هرم زیر برای سطوح مختلف سیستم های اوتوماسیون میتوان دید که در کجا باید از کدام پروتکل استفاده کرد

ERP Level

در اصل سطح اطلاعات مدیریتی است که در این سطح نیاز به سرعت بسیار بالایی برای تبادل اطلاعات مورد نیاز است.در این سطح  سرعت تبادل بسیار بالا بوده و Real Time بودن شبکه نقش اساسی ایفا میکند.

SuperVision Level

سیستم های مانیتورینگ یا به اصطلاح HMI در این سطح قرار گرفته اند که اپراتور از طریق آنها وضعیت پروسه را میبیند.

حجم اطلاعات در این سطح متوسط است و زمان در حد ثانیه میباشد.

Control Level

سیستم های کنترلی متمرکز PLC  یا غیر متمرکز DCS  ها در این سطح قرارد دارند.حجم دیتا در این ناحیه کم است در نتیجه زمان تبادل کوتاه است.کمتر از 1 ثانیه.

Field Level

سنسورها عملگر ها و وسایل ابزار دقیق در این سطح قرار دارند.حجم اطلاعات در این سطح کم است اما زمان ارسال یا دریافت اطلاعات باید کوتاه باشد.در حد ms.

انتقال در Profibus

A اتقال توسط کابل مسی: RS 485

RS485  یک ارتباط دو سیمه است که دارای درجه ایمنی بالایی است و سرعت آن بالا است (1.5 مگابایت در ثانیه)

برای انتقال دیتا از یک زوج سیم به هم تابیده شده شیلد دار موسوم به H2  استفاده میکنند.که این یک اتصال نیم دوطرفه است,یعنی در هر لحظه تنها یک ایستگاه میتواند فرستندده باشد نه بیشتر.

سیگنال ها سیگنال های  تفاضلی هستندیعنی نسبت به زمین سنجبده نمیشوند بلکه سطح ولتاژ تفاضلی بین دو سیم است که صفر یا یک را نشان میدهد.لذا نویز در این سیستم تاثیر کمتری دارد.

حد اکثر تا 32 وسیله را میتوان به این کابل متصل کرد.که به این اتصال یک سگمنت گفته میشود.

طول مجاز برای یک سگمنت به سرعت انتقال دیتایی دارد که میخواهیم در شبکه Profibus  برقرار باشد.

کانکتوری که برای اتصال های Profibus  استفاده میشود  بر طبق استاندارد EN 50170  یک کانکتور 9 پین است.

پایه های این کانکتور به شرح زیر میباشد

همانطور که گفته شد حداکثر 32 دستگاه یا به عبارتی 32 ایستگاه RS485  امکان اتصال به این سگمنت را دارند.در اصطلاح شبکه به این اتصال یک Nod  گفته میشود.

در انتقال با کابل های مسی برای رسیدن به سرعت های بالا از Stubline  استفاده میکنند.

Stubline  یعنی اتصال مستقیم یک دستگاه به محل اتصال باس.

در حالت Stubline  حد اکثر طول باید 6.6M  باشد.استفاده از Stubline پیشنهاد نمیشود.از این اتصال برای اتصال موقت دستگاه های PG  و یا Programer  استفاده میشود

B انتقال توسط فیبر نوری:

فیبر نوری در دو جنس شیشه ای و پلاستیکی ساخته میشود که پلاستیکی آن ساده تر و ارزان تر است.

کابل نوری این امکان را فراهم میکند تا فاصله ایستگاه های شبکهProfibus  تا 15KM  افزایش پیدا کند.

نویز مغناطیسی بر روی سیگنال های نوری اثری ندارد

روشهای مختلفی جهت اتصال شبکه ها به یک دیگر توسط فیبر نوری وجود دارد

روش OLM

میتوان توسط سخت افزاری به نام OLM  شبکه فیبر نوری را به شبکه ای که دارای کابل مسی است متصل کرد.

OLM متشکل است از دو کابل الکتریکی ایزوله شده و دو کانال نوری.

OLM ها را معمولا به صورت دو حلقه ای پیاده سازی میکنند.این کار برای بوجود آوردن یک شبکه با خاصیت Redundant است.

Redundant  خاصیتی است که اگر یکی از حلقه ها از کار بیافتد,حلقه دوم عمل اتصال و انتقال دیتا را به عهده میگیرد.

روش OLP

OLP ها سخت افزارهایی هستند که توانایی اتصال به ایستگاه های Slave  را دارند.عمل اتصال به ایستگاه های Slave  توسط یک کانکتور 9 پین در ایستگاه های Slave صورت میپذیرد.

در OLP نیازی به تغذیه  مجزا وجود ندارد زیرا OLP تغذیه خود رااز طریق باس متصل شده به ایستگاه های Slave تامین میکند.

برای اتصال یک ایستگاه Master به یک حلقه OLP , به یک عدد OLM  احتیاج است و OLP تنها جهت اتصال Slave به شبکه فیبر نوری به لازم است.

روش دیگر در شبکه فیبر نوری استفاده از برخی دیوایس هایی است که به خودی خود امکان اتصال به شبکه فیبر نوری را دارا میباشند.این تجهیزات یک پرت برای اتصال را دارند و در آخر نام این نجهیزات عبارت FO وجود دارد(Fiber Optic)

PROFIBUS

پروتکل پروفی باس دارای سه نسخه مییاشد

1.     Profibus FMS   زمانی که حجم اطلاعات بالا است.

2.     Profibus DP     انتقال سریع دیتا  را میسر میسازد

3.     Profibus PA     نمونه ارتقا یافته DP  است

Profibus FMS

نحوه انتقال اطلاعات در این پروتکل و DP شبه به یکدیگر میباشند که جلوتر بعد از اشاره به DP با FMS  آشنا خواهیم شد.

از مزایای FMS میتوان به موارد زیر اشاره کرد

·         از روش Token Pass به باس دسترسی دارد

·         آسنکرون  است

معمولا FMS را برای زمانی که حجم دیتا های ارسالی و دریافتی بالا است استفاده میکنندوالبته به واسطه رشد چشمگیری که Ethernet در شبکه های صنعتی داشته معمولا در Process Leve به جای استفاده از FMS از Ethernet استفاده میکنند.

Profibus DP 

DP  به صورت Master/Slave  کار میکند یعنی کنترل مرکزی یا Master  به صورت سیکلی ورودی هارا از Slave  ها میخواند و خروجی ها را به آنها میفرستد.به دوره زمانی که در آن این عملیات انجام میشود سیکل باس (Bus Cycle)  گفته میشود.

سرعت DP

در هر 1میلی ثانیه میتواند 512 ورودی و خروجی را روی 32 Slave  با سرعت 12مگابایت در ثانیه تبادل کند.

پروتکل Profibus DP  خود دارای سه نسخه V۰ V۱  V۲   میباشد

Profibus DP V0

در این نسخه فقط اجازه ارتباط بین Master وSlave  وجود دارد یعنی Master به صورت سیکلی مرتبا با Slave ها را یکی پس از دیگری فرا خوانده و با آنها به تبادل اطلاعات میپردازد.

اگر شبکه بیش از یک Master داشته باشد در این حالت Master ها بصورت نوبتی باس را در اختیار میگیرند.کلا هر Master وقتی باس را در اختیار دارد بطور سیکلی با Slave هایش ارتباط برقرار میکند.

برای برقراری ارتباط یا صحبت میان Master با slave باید مراحلی طی شود.

1.     Master درخواست شناسایی وضعیت میکند و Slave وضعیت خود را اعلام میکند.

2.     Master پارامترهایی را که برای تبادل دیتا از آن استفاده میکند ارسال میکند سپس Slave تاییدیه را به  Master اعلام میکند

3.     Master ساختار سخت افزاری پیکر بندی شده برای Slave را به آن اعلام میکند.اگر Slave تفاوتی بین آن و ساختار واقعی ببیند به Master اعلام میکند.

بعد از این مراحل کار تبادل اطلاعات آغاز میشود.یعنی Master درخواست دیتا میکند.

Profibus DP V1

در این نسخه امکان ارتباط بصورت غیر سیکلی وجود دارد

برای ارتباط غیر سیکلی دو نوع Master تعریف میشود

1.     DPM1   Dp Master Class1

2.     DPM2   Dp Master Class2

DPM1    در اصل همان کنترلر مرکزی است.

DPM2    PG یا PC است.در طول راه اندازی یا تشخیص عیب یا برای پیکر بندی و تشخیص عیب به Slave ها متصل میشوند بنابراین ارتباط آن موقت بوده بطور دائم به باس متصب نمیشوند.

DPM1 بصورت سیکلی و DPM2 بصورت غیر سیکلی ارتباط برقرار میکند.

برای DP V1 سه مد کاری STOP ClEARوOPRATE وجود دارد

1.     مد کاری Oprate:    در این مد تبادل اطلاعات وجود دارد

2.     مد کاری Stop:       در این مد هیچ گونه تبادل اطلاعاتی بین MasterوSlave رخ نمیدهد

3.     مد کاری Clear:      در این مد اطلاعات ورودی Slaveها توسط Master خوانده میشود اما Master این اطلاعات را در حالت Safe  قرار میدهد

در صورت وقوع خطا اگر پارامتر Auto Clear مقدار صحیح 1 یا True داشته باشد,خروجی های تمام  Slave ها  توسط Master در حالت Safe قرار میگیرد اما اگر  Auto Clear مقدار ناصحیح یا Fulse داشته باشد,مد کاری کماکان بر روی Oprate باقی میماند.

Profibus DP V2

در DP V0,V1 اگر Slave های به اطلاهات Slave دیگری نیاز داشته باشد باید اطلاعات را ابتدا به Master ارسال کند سپس  Master آن اطلاعات را به Slave دیگری انتقال دهد.

این شکل در V2 اصلاح شد .به طوری که یک Slave اطلاعات خود را برای استفاده Slave های دیگر روی باس قرار میدهد.این کار منجر به صرفه جویی قابل توجهی در زمان شده و Usage سیستم را پایین میاورد.

یکی دیگر از وِیژگی های V2 قابلیت همزمان سازی است.(Synchronizing).

در بعضی مواقع لازم است که خروجی Slave ها با یکدیگر همزمان شوند و همزمان اطلاعات را ارسال کنند.میتوان اطلاعات را در یک حافظه قرار داد و با فرمان Sync به طور همزمان آن ها را به خروجی ها ارسال کرد.

 

Profibus PA

Profibus PA نمونه ارتقا یافته DP است.

در  PA تغذیه عناصر اتصال یافته به این شبکه مستقیما از طریق خط ارتباطی تامین میشود لذا امنیت در این روش بالاتر است.

امکان تغذیه عناصر توسط باس بر اساس استاندارد IEC 1158-2 میباشد.

در این روش انتقال دیتا توسط وجود سطح DC  اتفاق نمی افتد(Manchester Coding) به این روش MBP  گفته میشود Manchester Coded Bus Powered.

در روش MBP زمانی بیت 0 اتفاق می افتد که در لبه بالا رونده سیگنال جریان داشته باشیم.و بیت 1 زمانی رخ میدهد که سیگنال دارای لبه پایین رونده باشد.

همانطور که از نمودار بالا پیداست سطح  0 و 1 بصورت +-9ma بر روی جریان خط مدوله میشود

در این روش سرعت انتقال دیتا ثابت(31.25kbps) است و به طول کابل بستگی ندارد.

در PA انتها و ابتدای خط انتقال یک مدار RC  قرار میدهند.به این مدار RC که در ابتدا و  انتهای خطوط انتقال قرار میگیرد Terminator گفته مشیود.

حد اکثر تعداد Nod هایی که توانایی اتصال به یک سگمنت PA را دارد به جریان مصرفی Nod ها , طول کابل ,جنس کابل و منبع تغذیع باس دارد.

حد اکثر 32 ایستگاه میتواند به یک سگمنت PA متصل شود.

میتوتن PA  را به DP هم متصل کرد. به دلیل متفاوت بودن پرتوکل های انتقالی این دو باید برای متصل کردن این دو از یک کوپلر (واسط) استفاده کرد.

کوپلر علاوه بر ایزالاسیون الکتریکی بین شبکه,تغذیه کردن شبکه PA و ایجاد تطابق بین دو استاندارد IEC 61158-2 و RS485 را انجام میدهد