پروتکل پروفی باس

استانداردی در فناوری خودکارسازی برای ارتباطات در گذرگاه در سطح کارخانه پروتکل پروفی باس است.

پروتکل پروفی باس در سال 1989 توسط اداره آموزش و تحقیقات آلمان ابداع شد و توسط شرکت زیمنس به کار گرفته شد. استاندارد پروتکل پروفی باس به صورت آزاد به عنوان جزیی از استاندارد IEC 61158 انتشار یافته است.

در کل پروتکل پروفی باس یک استاندارد ارتباطی در اتوماسیون صنعتی است که برای فرآیندهای اتوماسیون دیجیتال و آنالوگ (Factory Automation) و (Process Automation) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

همه چیز درباره یک پروتکل پروفی باس و نحوه استفاده از آن با خدمات IIoT

شبکه PROFIBUS پیاده‌سازی یک شبکه اینترنت صنعتی برای داشتن یک سیستم یکپارچه و قدرتمند را برای شما ساده می‌کند.

ایده این مقاله ارائه اطلاعات لازم در مورد شبکه پروفی باس است و در  این مقاله موارد زیر مورد بحث قرار می‌گیرد:

• انواع پروتکل پروفی باس
• نحوه عملکرد آن‌ها
• تفاوت بین PROFIBUS و PROFINET
• نحوه استفاده از IIoT  در یک شبکه  PROFIBUS

گفتن این نکته حائز اهمیت است که روزانه جامعه کاربران PROFIBUS رو به رشد است.بیایید نگاهی دقیق‌تر به این پروتکل بیاندازیم و یاد بگیریم که چگونه می‌توان از آن به همراه سرویس‌های IIoT استفاده کرد تا بهترین عملکرد را از دستگاه ها و شبکه دریافت کرد.

پروتکل پروفی باس چیست؟

PROFIBUS یک شبکه دیجیتالی است که وظیفه برقراری ارتباط بین سنسورهای مربوطه و سیستم کنترل یا کنترلر را برعهده دارد.

اولین گام در حین پیکربندی شبکه، اجرای  پروتکل‌های  PROFIBUS در صنایع:

• اتوماسیون کارخانه
• سپس صنایع فرآوری
• تولید و غیره می‌باشد.

در همان آغاز، علاقه‌مندان به توسعه این شبکه، PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification ) را توسعه دادند که پروتکل پیچیده‌ای بود.امروزه دیگر از آن استفاده نمی‌شود و بعدها بر روی پروتکل (PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals  کار کردند.در سال 1998 نیز شبکه PROFIBUS PA (Process Automation) راه‌اندازی شد.

امروزه، هنگامی که ما در مورد پروتکل پروفی‌باس صحبت می‌کنیم، انواع:

• PROFIBUS DP
• PROFIBUS PA
• علاوه بر آن PROFINET که مبتنی بر اترنت پایه گذاری شده است را داریم.

انواع پروتکل پروفی باس

حال به بررسی این که چگونه پروفی باس DP و PA کار می‌کنند می‌پردازیم.

Profibus DP :

شبکه PROFIBUS DP به عنوان یک راه حل سریع و مبتنی بر یک لایه فیزیکی RS485 و استاندارد اروپایی EN-50170 توسعه داده شده است و لازم نیست که  لایه فیزیکی ما از مس باشد. می‌توانید از فیبر نوری یا حتی به‌صورت بی سیم نیز استفاده کنید. PROFIBUS DP مخفف Decentralized Periphery است.

این نام به اتصالات I / O اطلاق می‌شود که از ارتباطات سریال به‌صورت کاملاً غیرمتمرکز و با سرعت بالا برای اتصال به یک کنترلر مرکزی استفاده می‌کنند.همچنین گفتن این نکته ضروری است كه پروتكل پروفی باس DP براساس مدل (Open System Interconnection) OSI مطابق استاندارد ISO 7498 ساخته شده است و هر لایه پروتكلی وظایف مشخصی دارد.

شبکه PROFIBUS DP یک شبکه Token با چند master است.وقتی دو یا چند master در سیستم وجود داشته باشد، Token در لحظه تنها به یکی ازmasterها اجازه فرمان می‌دهد و در واقع برای هر master سهمی از زمان ارتباط در نظر می‌گیرد. دو نوع master  وجود دارد که در زیر به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.

مستر نوع 1:

برای کنترل فرایند که به کنترل کل سیستم می‌پردازد.

مستر نوع 2 :

که به صورت option است (اطلاعات غیرقانونی را ابلاغ می کند و برای تشخیص، آلارم و پیکربندی دستگاه استفاده می‌شود.)

توجه داشته باشید که تامین پاور تجهیزات ابزار دقیق در شبکه Profibus-DP از طریق یک کابل مجزا صورت می‌گرفت. در حالی که در شبکه پروفی باس PA تامین پاور و مخابره دیتا از طریق یک کابل واحد زوج سیم (twisted pair) به شکل همزمان صورت می‌گیرد. با توجه به اینکه از شبکه Profibus-PA در مناطق انفجاری استفاده می‌شود، باید این نکته رعایت شود که جریان مورد نیاز برای تجهیزات پروفی باس PA از حداکثر میزان مجاز جریان برای کابل شبکه تجاوز نکند. پس شبکه‌های DP از ایمنی بالایی برخوردار بوده و از آن‌ها در اپلیکیشن‌های ایمن SIL3 استفاده می‌شود.

Profibus PA :

در ابتدا، پروتکل PROFIBUS PA برای توسعه ارتباطات HART ایجاد شد.این برنامه برای برنامه‌های کاربردی اختصاص داده شده است، جایی که ایجاد ارتباط بین دستگاه‌های اندازه‌گیری و سیستم کنترل مورد نیاز است. در PROFIBUS PA از کابل‌های زوج به هم تابیده (کواکسیال) هم برای ارتباطات درون شبکه و هم برای پاور استفاده می‌شود. ساختار شبکه فیزیکی آن مطابق با استاندارد IEC-61158-2 است و سرعت داده در شبکه 31.25 کیلوبیت در ثانیه است.

برخلاف شبکه های PROFIBUS DP که سرعت بالاتری هم دارند، دستگاه‌های PROFIBUS PA مستقیماً به کنترلر وصل نمی‌شوند و ارتباطات آن از طریق فیبر نوری یا با لینک به دست می‌آید. فیبر نوری یا لینک، به عنوان رابط عمل کرده و سایر ارتباطات را درون شبکه برقرار می‌کند.  نکته قابل توجه در مورد شبکه‌های PA، قابلیت طراحی ایمن آن است. به این معنی که تجهیزات متصل به آن می‌توانند در مناطق خطرناک فعالیت کنند.

شبکه Profibus PA به منظور ارتباط مستقیم با Profibus DP توسعه داده شده است.مهمترین شبکه Profibus PA به منظور ارتباط مستقیم با Profibus DP توسعه داده شده است. در محیط‌های انفجاری (intrinsically safe applications) مثل محیط‌های Zone 0 و Zone 1 استفاده کرد. تامین پاور مورد نیازبرای تجهیزات شبکه  و مخابره اطلاعات بین تجهیزات و سیستم کنترل میزبا    PLC یا DCS در شبکه Profibus-PA به صورت دیجیتال انجام می‌شود.

به طور معمول در مقایسه با یک شبکه معمولی، در یک شبکه ایمن تجهیزات کمتری وجود دارد.اما عوامل مختلفی تعیین کننده یک شبکه بهینه هستند. مثل تجهیزات مورد استفاده، اندازه شبکه، فاصله بین تجهیزات، نوع کابل مصرفی و غیره.

PROFINET چیست؟

PROFINET را می‌توان تکامل یافته پروتکل پروفی‌ باس دانست.امروزه در صنعت، مردم دوست دارند از پروتکل‌های مبتنی بر اترنت (IEEE 802.3) و مدل OSI استفاده کنند.PROFINET کلیه مزایای یک شبکه پیشرفته از پشتیبانی کنترل تا ارتباطات درون شبکه و همینطور ایجاد یک شبکه قدرتمند یکنواخت را دارد.یکی دیگر از مزایای پروتکل پروفی باس این است که به راحتی قابل اجرا است.

یک الگوی ساختاری شناخته شده (بر مبنای شبکه اترنت موجود در سیستم) که هزینه زیرساخت آن کم است. استفاده می‌کند.البته نباید تصور شود که PROFINET یک شبکه پروتکل پروفی باس اترنت است.بلکه PROFINET یک استاندارد باز مبتنی بر اترنت و تکامل یافته پروتکل PROFIBUS است.

یک قابلیت مهم PROFINET پشتیبانی لایه‌های TCP / IP است که مزایای قابل توجهی را به آن می‌افزاید.همه دستگاه‎‌ها به یک شبکه واحد متصل می‌شوند که کنترل، تشخیص و غیره در آن انجام می‌شود و عموما نیازی به استفاده از گذرگاه نیست.

تفاوت بین PROFIBUS و PROFINET

وقتی در مورد شبکه پروفی باس صحبت می‌کنیم، در مورد پروتکل ارتباط دیجیتال سنتی و شناخته شده صحبت می کنیم که در صنایع و برنامه‌های مختلف پیاده‌سازی شده است.پروتکل پروفی باس مبتنی بر ارتباطات سریال است و فواید زیادی را برای صنعت به ارمغان آورده است.

• PROFINET پروتکل مبتنی بر اترنت صنعتی است.
• از ارتباطات سریع‌تر پشتیبانی می‌کند
• همچنین از پهنای باند بیشتری برخوردار است.

این بدان معناست که پیامی که در شبکه PROFINET رد و بدل می شود.می‌تواند حاوی اطلاعات بیشتری نسبت به یک پیام در شبکه با پروتکل پروفی باس باشد.

چگونه می‌توان از خدمات IIoT در یک شبکه پروفی باس استفاده کرد؟

خیلی عجیب است اما بسیاری از کاربران پروتکل پروفی باس هنوز به روش سنتی رفتار می‌کنند.هیچکس از داده‌های شبکه برای کنترل بر نحوه اجرا و جلوگیری از حوادث اتفاقی و یا عملکرد نادرست سیستم استفاده نمی‌کند.

باید در نظر گرفت که راه حل نظارت بر شرایط سنتی می‌تواند در برخی از حالات کاملاً پیچیده باشد.این که با این شبکه ما خدمات IIoT داریم و نظارت بر وضعیت عملکرد دستگاه، یافتن اطلاعات پایگاه داده و مدیریت اسناد آسان نبوده و ما می‌توانیم مانیتورینگ آن را با استفاده از شبکه پروفی باس و تجهیز مربوطه انجام دهیم.

این روزها تقریبا همه چیز را می‌توان به شبکه پروفی باس متصل کرد مانند:

• انواع PLC ها
• HMI/SCADA
• سنسورها
• درایوها
• سرووها
• حتی تجهیزات HART نیز قادر به اتصال به شبکه پروفی باس هستند.

دلیل اصلی استقبال از پروتکل پروفی باس در صنایع مختلف، کاهش قابل توجه حجم وایرینگ برای اتصال انواع تجهیزات فیلد به سیستم کنترل بوده است.

یک PLC و تعدادی سیگنال آنالوگ و دیجیتال از نوع ورودی/خروجی در محیط کارخانه، دو روش برای ارتباط با یکدیگر دارند:

• موازی
• سریال

روش اول:

استفاده از روش وایرینگ Parallel است که مفهومش این است که برای هر کدام از سیگنال‌های ورودی/خروجی به دو رشته سیم احتیاج خواهید داشت.

روش دوم:

روش سریال نام دارد و مفهومش این است که تنها دو رشته سیم برای اتصال تمام سیگنال‌های ورودی/خروجی به PLC کافی است.برای این هدف، شما تعدادی از I/O ها را روی یک IO-Box پروفی باس جمع‌آوری کرده و سپس IO-Box ها را از طریق کابل پروفی باس (سیم دو رشته) به PLC متصل می‌کنید.

در روش انتقال پروفی باس ، اطلاعات شامل سیگنال‌ها و پاسخ‌ها از طریق یک کابل تکی که پالس‌های پروتکل ارتباطی را با ولتاژ پایین می‌فرستد، مخابره می‌شود.روش ارتباط سریال سال‌ها قبل از معرفی پروفی باس اختراع شده بود.

اما در حقیقت کاری که پروفی باس یا دیگر پروتکل‌های مشابه انجام می دهند، این است که:

• سرعت ارتباط را بالاتر برده
• توانسته اند از حجم وایرینگ به میزان قابل توجهی بکاهند.