صفحه اصلی » جزوات » ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems

جزوات

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems

نقطه کنترل

2015-12-14

283 مشاهده

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.

بررسی شبکه صنعتی پروفی باس به زبان خیلی ساده

خاطرمان هست که بر اساس گزارش شرکت HMS ، هم اکنون شبکه صنعتی پروفیباس از نظر میزان استفاده دارای رتبه اول در جهان هست. بسیاری از خوانندگان این سایت به خوبی با این شبکه آشنا هستند و شاید از تیتر این مطلب هم خسته شده اند چون که احتمالا تلاش میکند با انتشار یک سری اطلاعات تکراری ، چند دقیقه ای از زمان شان را تلف کند. البته یادداشت امروز برای حرفه ای ها نیست، بلکه برای کسانی است که هر وقت خواستند تا با مفهوم پروفیباس آشنا شوند، با انبوهی از مطالب فنی با ذکر جزییات زیاد مواجه شده اند و دست آخر سردرگم شده و شاید بی خیال موضوع شده اند. اگر شما از دسته دوم هستید و شاید هم کمی کنجکاوید، می توانید در ادامه مطلب با ما همراه باشید.

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

Profibus یک استاندارد ارتباطی در اتوماسیون صنعتی است که برای فرآیندهای اتوماسیون دیجیتال و آنالوگ ( Factory Automation و Process Automation ) مورد استفاده قرار میگیرد. لغت Profibus از سرواژه های عبارت Process Field Bus ساخته شده است.این روش ارتباطی، ارزان قیمت، همه کاره و تطبیق پذیر است و البته روشی پایدار محسوب میشود. پروفیباس بر مبنای تکنولوژی ارتباط سریال RS-485 طراحی شده است و این روز ها تقریبا همه چیز را می توان به شبکه پروفیباس متصل کرد مثل انواع PLC ها ،HMI/SCADA ، سنسور ها، درایو ها، سروو ها و حتی تجهیزات HART نیز قادر به اتصال به شبکه پروفی باس هستند.

دلیل اصلی استقبال از روش ارتباط Profibus در صنایع مختلف، کاهش قابل توجه حجم وایرینگ برای اتصال انواع تجهیزات فیلد به سیستم کنترل بوده است. بگذارید طور دیگری مساله را بیان کنیم. فرض میکنیم که شما یک PLC و تعدادی سیگنال آنالوگ و دیجیتال از نوع ورودی/خروجی در محیط کارخانه دارید. اکنون دو روش برای ارتباط اینها به یکدیگر خواهید داشت. پارالل و سریال.

امکان اول استفاده از روش وایرینگ  Parallel است که مفهومش این است که برای هر کدام از سیگنال ورودی/خروجی به دو رشته سیم احتیاج خواهید داشت. امکان دوم ، روش سریال نام دارد و مفهومش این است که تنها دو رشته سیم برای اتصال تمام سیگنال های ورودی/خروجی به PLC کافی است. برای این هدف، شما تعدادی از I/O ها را روی یک IO-Box پروفیباس جمع آوری کرده و سپس IO-Box ها را از طریق کابل پروفی باس (سیم دو رشته) به PLC متصل می کنید. در روش انتقال پروفیباس ، اطلاعات شامل سیگنال ها و پاسخ ها از طریق یک کابل تکی که پالس های پروتکل ارتباطی را با ولتاژ پایین می فرستد، مخابره میشود.  روش ارتباط سریال سال ها قبل از معرفی پروفیباس اختراع شده بود اما در حقیقت کاری که پروفی باس یا دیگر پروتکل های مشابه انجام میدهند، این است که سرعت ارتباط را بالاتر برده و توانسته اند از حجم وایرینگ به میزان قابل توجهی بکاهند.

 

دو نوع شبکه Profibus  در صنعت بیشتر رواج پیدا کرده اند که عبارتند از: Profibus DP و Profibus PA

جزییات ویژگی ها و قابلیت های این شبکه ها را می توانید در ادامه مطلب بخوانید.

Profibus DP

شبکه Profibus DP رایج ترین نوع شبکه ارتباطی در اتوماسیون صنعتی است. واژه DP از روی عبارت Decentralized Peripherals (دستگاه های غیر متمرکز) ساخته شده است. شبکه Profibus DP می تواند حجم انبوهی از اطلاعات جمع آوری شده از سنسور ها و عملگر هایی که در نقاط مختلف کارخانه به صورت غیر متمرکز نصب شده اند، را توسط یک کابل دو رشته ای به اتاق کنترل منتقل کند. کاری که برای استفاده از این روش باید انجام شود، این است که در اتاق کنترل یک ماژول Profibus DP IO را بر روی PLC نصب کرده و همچنین در فیلد نیز یک remote I/O نصب کنیم. شبکه  Profibus DP می تواند  remote I/O نصب شده در فیلد را به ماژول Profibus DP IO روی PLC متصل کند.

 

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

 

از آنجا که انتقال دیتا در این تکنولوژی به روش “دیجیتال” انجام میشود، نویز موجود در محیط های صنعتی کمترین تاثیر را روی دیتا خواهد داشت. به همین جهت مخابره دیتا بین سیستم کنترل و تجهیزات فیلد بسیار پایدار خواهد بود. حداکثر نرخ انتقال شبکه پروفی باس DP برابر با ۱۲Mbps ( مگابیت بر ثانیه) می باشد. حداکثر طول کابل در بالاترین سرعت انتقال دیتا ۱۰۰ متر میباشد در حالی که استفاده از نرخ انتقال دیتای پایین تر می تواند منجر به افزایش طول کابل تا ۱۲۰۰ متر گردد.

 

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

 

معایب شبکه Profibus DP

با توجه به اینکه که انتقال دیتا در این روش از طریق یک کابل واحد انجام میگیرد، وجود خرابی، نقص فنی یا خرابکاری به هر روشی منجر به از دست دادن تمام اطلاعات جمع آوری شده از تجهیزات فیلد خواهد شد.

مزایای شبکه Profibus DP

همانطور که قبلا ذکر کردیم، شبکه صنعتی Profibus DP وقتی در فرآیند جمع آوری سیگنال های غیر متمرکز استفاده شود، می تواند در حد چشم گیری از میزان کابل کشی بین تجهیزات فیلد و سیستم کنترل بکاهد.

 

Profibus PA

شبکه Profibus PA عضو دیگری از خانواده پروفیباس می باشد که استفاده از آن در صنعت رواج پیدا کرده است. واژه PA از روی عبارت Process Automation (اتوماسیون فرآیند) ساخته شده است.  فرمت دیتا در شبکه Profibus PA همانند شبکه پرفیباس  DP است که این ویژگی سبب شده است تا فرآیند یکپارچه سازی بین دو شبکه بسیار آسانتر شود.

 

 

شبکه Profibus-PA به منظور ارتباط مستقیم با Profibus-DP توسعه داده شده است. مهمترین ویژگی شبکه Profibus-PA این است که می توان از آن جهت برقرای ارتباط با تجهیزات نصب شده در محیط های انفجاری (intrinsically safe applications) مثل محیطهای Zone-0 و Zone-1 استفاده کرد. تامین پاور مورد نیاز برای تجهیزات فیلد و مخابره اطلاعات بین تجهیزات و سیستم کنترل میزبان (PLC یا DCS) در شبکه Profibus-PA به صورت دیجیتال انجام مشود. توجه داشته باشید که تامین پاور تجهیزات ابزاردقیق در شبکه Profibus-DP از طریق یک کابل مجزا صورت میگرفت، در حالی که در شبکه PA تامین پاور و مخابره دیتا از طریق یک کابل واحد زوج سیم (twisted pair) به شکل همزمان صورت میگرد. با توجه به اینکه از شبکه Profibus-PA در مناطق انفجاری استفاده میشود، باید این نکته رعایت شود که جریان مورد نیاز برای تجهیزات PA از حداکثر میزان مجاز جریان برای کابل شبکه Profibus-PA تجاوز نکند.

 

 

حداکثر سرعت (نرخ انتقال) دیتا در شبکه Profibus-PA به میزان ۳۱٫۲۵Kbps (کیلوبیت بر ثانیه) میباشد که بسیار پایین تر از شبکه Profibus-DP است. جدول فوق نشان میدهد که حداکثر طول کابل در این شبکه ۱۹۰۰ متر می باشد. جریان ۰٫۵ آمپر حداکثر جریانی است که می توان به هر سگمنت در شبکه Profibus-Pa تزریق کرد. جالب اینکه شبکه PA از نظر خصوصیات فیزیکی شباهت های زیادی به شبکه Foundation FiedlBus دارد.

 

 

نمایش چونگی ارتباط شبکه DP با شبکه PA از طریق DP/PA Coupler

نحوه ارتباط بین شبکه Profibus PA  و Profibus DP

در صنعت زیاد پیش می آید که ناچار به ترکیب دو شبکه PA و DP با یکدیگر باشیم. میدانیم که اطلاعات شبکه PA از تجهیزات مستقر در محیط های خطرناک و انفجاری (hazardous environments) می آید و اطلاعات شبکه DP از اتصال تجهیزات متصل در محیط های 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 می کنیم، نرخ انتقال دیتا به میزان ۳۱٫۲۵ کیلو بیت بر ثانیه در داخل شبکه PA کاهش می یابد. اما در حالت عکس برای نرخ دیتای شبکه PA  درون شبکه DP محدودیتی وجود نخواهد داشت.

در درهه ۱۹۷۰ با توسعه شبکه های کامپیوتری ,  این شبکه ها به عنوان ابزاری در خدمت اوتوماسیون صنعتی قرار گرفت  که در دهه ۱۹۹۰ برای اولین بار شبکه های صنعتی تحت عنوان Fieldbus  به کار گرفته شدند.

مزایای Fieldbus شرح زیر میباشد

۱٫     کاهش فضای اشغال شده توسط تجهیزات

۲٫     کاهش حجم کابل و کابل کشی

۳٫     نویز پذیری بسیار کم

۴٫     عیب یابی راحت تر

۵٫     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 ۱ 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 (۱٫۵ 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.

پایه های این کانکتور به شرح زیر میباشد

همانطور که گفته شد حداکثر ۳۲ دستگاه یا به عبارتی ۳۲ 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 ۶٫۶M  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 ۱۵KM  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 ۹ 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)

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

PROFIBUS

پروتکل پروفی باس دارای سه نسخه مییاشد

۱٫     Profibus FMS   زمانی که حجم اطلاعات بالا است.

۲٫     Profibus DP     انتقال سریع دیتا  را میسر میسازد

۳٫     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 ۱میلی ثانیه میتواند ۵۱۲ ورودی و خروجی را روی ۳۲ Slave  با سرعت ۱۲مگابایت 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.

۱٫     Master درخواست شناسایی وضعیت میکند و Slave وضعیت خود را اعلام میکند.

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

۳٫     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

۱٫     DPM1   Dp Master Class1

۲٫     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

۱٫     مد کاری Oprate:    در این مد تبادل اطلاعات وجود دارد

۲٫     مد کاری Stop:       در این مد هیچ گونه تبادل اطلاعاتی بین MasterوSlave رخ نمیدهد

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

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

در صورت وقوع خطا اگر پارامتر Auto Clear مقدار صحیح ۱ 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 ۰ اتفاق می افتد که در لبه بالا رونده سیگنال جریان داشته باشیم.و بیت ۱ زمانی رخ میدهد که سیگنال دارای لبه پایین رونده باشد.

همانطور که از نمودار بالا پیداست سطح  ۰ و ۱ بصورت +-۹ma بر روی جریان خط مدوله میشود

در این روش سرعت انتقال دیتا ثابت(۳۱٫۲۵kbps) 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.

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

ابزاردقیق– Profibus-Instrument Systems-نقطه کنترل

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 ۳۲ 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