آشنایی با شبکه های صنعتی در اتوماسیون صنعتی

لازم به ذکر است که عملگرها نیز دارای مدل‌های معمولی و هوشمند می‌باشند. در مدل‌های معمولی، عملگر قابلیت اتصال به شبکه‌های صنعتی را دارا نمی‌باشد ولی در نوع هوشمند، عملگر قابلیت اتصال به شبکه‌های صنعتی را دارا است. حال به بررسی دقیق‌تر این موضوع می‌پردازیم.

الف) عملگرهای معمولی

منظور از عملگرهای معمولی، آندسته از عملگرهاست که امکان اتصال مستقیم به شبکه‌های صنعتی را دارا نبوده و صرفاً با سیگنال‌های متداول الکتریکی از قبیل سیگنال دیجیتال 24V DC یا سیگنال آنالوگ4-20mA کار می‌نمایند.

ب) عملگرهای هوشمند

منظور از عملگرهای هوشمند، آندسته از عملگرهاست که امکان اتصال مستقیم به شبکه‌های صنعتی را دارا بوده و بعضاً دارای امکانات عیب‌یابی و کالیبراسیبون می‌باشند. در شکل (1) یک نمونه کنترلر ولو، که قابلیت نصب بر روی انواع ولوهای آنالوگ را دارا است، نشان داده شده است. این تجهیز قابلیت اتصال مستقیم به شبکه‌هایFoundation Fieldbus و Profibus PA را دارا بوده و امکان کالیبراسیون آن توسط سیستم‌های مهندسی میسر می‌باشد.

الف) کنترلر ولو       ب) مشخصات فنی

شکل 1

شبکه‌های صنعتی فیلدباس

همانطور که اشاره شد، سنسورها و عملگرهای هوشمند قابلیت اتصال مستقیم به برخی از شبکه‌های صنعتی فیلدباس را دارا می‌باشند؛ از اینرو در سطح فیلد بعضاً شاهد استفاده از این شبکه‌ها و تجهیزات آنها می‌باشیم. شکل (2) استفاده از شبکه‌هایFieldbus در اتوماسیون صنعتی را نشان می‌دهد.

شکل 2

برخی از شبکه‌های متداول فیلدباس که در سطح فیلد از آنها استفاده می‌شود، عبارتند از:

• Foundation Fieldbus

شبکه Foundation Fieldbus یک شبکه فیلدباس استاندارد است که استانداردسازی آن در سال 1994 میلادی شروع و در سال 1998 به پایان رسید. کاربرد این شبکه معطوف به سطح فیلد و به‌منظور ایجاد شبکه بین تجهیزات فیلد بوده و توسط مبدل‌ (Bridge) می‌تواند به سطوح بالاتر متصل گردد. یکی از مهم‌ترین مزایای این شبکه امکان استفاده از تجهیزات هوشمند (Smart) است که امکان اجرای توابع کنترلی را نیز دارا می‌باشند. با استفاده از شبکهFF و تجهیزات هوشمند، می‌توان سیستم کنترل FCS مخفف Fieldbus Control System را پیاده‌سازی نمود. این موضوع در شکل (3) نشان داده شده است.

شکل 3

• Profibus PA

PA مخفف Process Automation یکی از پروتکل‌های شبکه Profibus است که به‌منظورشبکه ‌نمودن سنسورها، ترانسمیترها و عملگرهای هوشمند (Smart) ارائه شده است. حوزه کاری این شبکه در سطح فیلد بوده و توسط Coupler به شبکهDP متصل می‌گردد.

منظور از ترانسمیترهای هوشمند، آندسته از ترانسمیترهایی است که می‌توانند یک کمیت فیزیکی را اندازه‌گیری نموده و مقدار آنرا به دیتا تبدیل نمایند. همچنین عملگرهای هوشمند می‌توانند مستقیماً به شبکهPA متصل شده و دیتای شبکه را دریافت و بر اساس آن، Action مورد نظر را انجام دهند.

در شکل (4) نحوه پیاده‌سازی شبکه PA در سیستم‌های شرکت زیمنس نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشخص است، در شبکهPA تجهیزات به صورت مستقیم و بدون واسطه به کابل شبکه متصل می‌شوند. همچنین شبکهPA از طریق مبدل (DP/PA CouplerیاDP/PA Link) به شبکه DP Profibus  متصل می‌گردد.

شکل 4

• Profibus DP

DP مخفف Distributed Peripherals یا Decentralized Peripherals  پرکاربرد‌ترین پروتکل شبکه  PROFIBUS  می‌باشد. یکی از موارد مهم کاربرد شبکه DP در سطح فیلد، برقراری ارتباط بین سنسورها و عملگرها با PLC از طریق واسطه‌هایی به نام Remote I/O است. این روش باعث کاهش حجم سیم‌کشی و سهولت امکان توسعه سیستم می‌شود. این موضوع در شکل (5) نشان داده شده است.

شکل 5

پروتکل Profibus DP بر اساس ساختار Master-Slave عمل می‌نماید که در آن، Master به عنوان رئیس محسوب شده و Slave نیز نقش زیر دست را بر عهده دارد. در شبکهDP، معمولاً PLC یا DCS بعنوان Master محسوب شده و انواع تجهیزات صنعتی از قبیل Remote I/O، Drive، Soft Starter و … به عنوان Slave قلمداد می‌شوند. در این ساختار، Master می‌تواند به صورت سیکلی با همه Slaveها ارتباط برقرار نماید. لازم به ذکر است که می‌توان انواع سنسورهای معمولی را در این شبکه مورد استفاده قرار داده و به Remote I/O متصل نمود.

• Hart

Hart مخفف Highway Addressable Remote Transmitter بوده و هدف آن، انتقال دیتاهای کالیبراسیون، عیب‌یابی و … از طریق سیم‌کشی دو سیمه در سنسورهای آنالوگی است که با سیگنال 4-20mA کار می‌کنند. در شبکه Hart نیاز به سیم‌کشی جدید نبوده و می‌توان از همان سیم‌کشی معمول در سنسور استفاده نمود. در این صورت، دیتاهایHART به صورت سیگنال فرکانسی بر روی سیگنال اصلی سنسور سوار شده و ارسال می‌شوند. به شکل (6) توجه فرمایید.

شکل 6

در پروتکل هارت، اطلاعات به صورت فرکانسی ارسال شده و فرکانس 220Hz به عنوان دیتای”صفر منطقی” و فرکانس 1200Hz به عنوان دیتای”یک منطقی” در نظر گرفته می‌شود. به شکل 7 توجه فرمایید.

شکل 7

پروتکل ارتباطی HART بر مبنای روش Master-Slave عمل می‌کند که در آن، PLC یا DCS بعنوانMaster محسوب شده و سنسور به عنوان Slave منظور می‌گردد. در این روش، PLC یا DCS می‌توانند دیتاهای مورد نیاز خود را از سنسور درخواست نموده و سنسور پاسخ مناسب را ارسال نماید. برای این منظور لازم است سنسور، قابلیت اتصال به شبکه Hart را داشته باشد.

یکی از مزایای HART امکان اتصال PC یا کامپیوترهای دستی به آن به منظور انجام وظایفی از قبیل کالیبراسیون، عیب‌یابی و … است. در این روش می‌توان یک سنسور را در حالتی که به سیستم متصل است، عیب‌یابی نموده و یا کالیبراسیون پارامترهای آنرا انجام داد. به شکل (8) توجه فرمایید.

شکل 8

توجه: امروزه شبکهHART بر مبنای تکنولوژی بی‌سیم نیز ارائه شده است که توسط آن می‌توان بین تجهیزات مختلف فیلد با یکدیگر و با سیستم کنترل، ارتباط برقرار نمود.

• Modbus RTU

مدباس یک شبکه استاندارد صنعتی است که در ابتدا توسط شرکت Modican در سال 1979 میلادی ایجاد و به تدریج توسعه یافت. امروزه مدباس دارای پروتکل‌های مختلفی است که هر کدام از آنها کارآیی خاص خود را دارا می‌باشند. در این بین، دو پروتکل RTU و TCP/IP (که به اختصار Modbus TCP نیز بیان می‌شود) دارای کاربرد بیشتری در صنعت بوده و بسیاری از PLCها دارای پورت‌های ارتباطی مربوط به آنها می‌باشند.

موارد کاربرد Modbus RTU نزدیک به موارد کاربرد Profibus DP بوده و شامل موارد ذیل می‌باشد:

• ارتباط با Remote I/O
• ارتباط با انواع درایوها
• ارتباط با انواع Soft Starterها
• ارتباط با انواع Touch Panelها

در شکل (9) یکی از موارد کاربرد Modbus RTU برای برقراری ارتباط بین PLC S7 زیمنس و درایو زینامیکس نشان داده شده است.

شکل9: یکی از موارد کاربرد Modbus RTU

• ASI

ASI مخفف Actuator Sensor Interface بوده و به منظور شبکه نمودن سنسورها و عملگرها (معمولاً دیجیتال) استفاده می‌شود. البته کاربرد ASI محدود به موارد فوق نبوده بلکه می‌توان برخی از تجهیزات دیگر از قبیل پنل‌های اپراتوری، راه‌اندازهای موتورهای الکتریکی و … را نیز به آن متصل نمود. در شکل (10) نحوه استفاده از شبکه ASI در سیستم زیمنس نشان داده شده است.

شکل 10