انواع شبکه های صنعتی

علاقه انسان به تسلط بر پدیده های اطراف خود و تحت اختیار در آوردن آنها باعث پیدایش علم جدیدی به نام کنترل شده است. این علم در مورد چگونگی تحت اختیار در آوردن و هدایت رفتار پدیده های اطراف ما صحبت می کند. یکی از کاربردهای علم کنترل، در صنعت است. اتوماسیون صنعتی عبارتی است که می تواند جانشین مناسبی برای لغت کنترل از نوع صنعتی شود. در این بحث پس از توضیحات مختصری در مورد اتوماسیون صنعتی و انواع کنترل در صنعت به معرفی انواع شبکه های صنعتی می پردازیم.

اتوماسیون صنعتی را می توان خودکار سازی فرآیندهای صنعتی برای رسیدن به هدف تولید مناسب و بهینه با حداقل نیروی انسانی تعریف کرد. در هر صنعتی، اتوماسیون سبب بهبود تولید می گردد که این بهبود هم در کمیت و میزان تولید و هم در کیفیت محصولات مؤثر است. هدف از اتوماسیون، واگذاری بخشی از وظایف انسان در صنعت به تجهیزات خودکار است.

بسیاری از کارخانه ها کارگران خود را برای کنترل تجهیزات گمارده و کارهای اصلی را به عهده ماشین می گذارند. کارگران باید برای کنترل ماشین ها به نحو مناسب، شناخت کافی از فرآیند کارخانه و ورودی های لازم برای عملکرد صحیح ماشین ها را داشته باشند. یک سیستم کنترل، باید فرآیند را با دخالت اندک یا حتی بدون دخالت اپراتورها کنترل نماید. در اتوماسیون صنعتی، عملیات شروع، تنظیم و توقف فرآیند با توجه به متغیرهای موجود توسط کنترل کننده سیستم انجام می گیرد.

 

مفاهیم پایه در کنترل

در مطالعه کنترل، توصیف سیستم های کنترل نیازمند تعاریف اولیه و آشنایی با مفاهیم و اصطلاحات مربوط به آن است. هدف از علم کنترل، کنترل رفتار فرآیند برای رسیدن به هدف مطلوب است.

دستگاه، می تواند بخشی از یک وسیله (مجموعه ای از اجزاء ماشین که یک کار مشخصی را انجام می دهند) باشد. در اینجا هر پدیده فیزیکی تحت کنترل (مثلاً یک بویلر، روبات، راکتور شیمیایی و یا سفینه) دستگاه نامیده می شود.

فرآیند، مجموعه عملیاتی که به طور تدریجی و پشت سر هم انجام می شود تا به یک هدف مطلوب برسید یا هر پدیده ای که هدف، کنترل آن باشد را گویند. متغیر تحت کنترل، هر متغیری که در فرآیند کنترل می شود را گویند، که معمولاً خروجی فرآیند است.

متغیر تأثیرگذار، کمیت یا شرطی است که تغییر داده می شود تا بر متغیر تحت کنترل تأثیر بگذارد. کنترل سیستم، اندازه گیری متغیر تحت کنترل و اعمال ورودی برای رساندن متغیر تحت کنترل به مقدار مطلوب را گویند. اغتشاش، ورودی های مزاحم و ناخواسته ای است، که باعث انحراف خروجی از مقدار مطلوب می شوند و در امر کنترل اختلال ایجاد می کنند.

کنترل با فیدبک، به عملی گویند که می تواند با وجود اغتشاش، اختلاف بین خروجی سیستم و ورودی مرجع را به کمترین میزان کاهش دهد.

انواع کنترل در صنعت

کنترل حلقه باز

سیستم هایی که بر روی خروجی آنها هیچ عمل کنترلی اعمال نمی گردد را سیستم های کنترل حلقه باز می نامند. به عبارت دیگر خروجی سیستم کنترل حلقه باز نه اندازه گیری می شود نه برای مقایسه با ورودی، فیدبک میشود. ایده اصلی این نوع کنترل بدین صورت است که سیستم تا حد ممکن دقیق طراحی شود، به طوری که خروجی های دلخواه را تولید کند و هیچ اطلاعاتی از خروجی فرآیند به کنترل کننده برگردانده نشود تا کنترل کننده تشخیص دهد آیا خروجی در حد مطلوب است یا خیر.

بدین خاطر ممکن است خطای خروجی در بعضی مواقع خیلی زیاد باشد. در یک سیستم با کنترل حلقه باز، تا زمانی که اختلال وجود نداشته باشد فرآیند به خوبی عمل می کند، اما اگر اختلال ناخواسته ای باعث شود که خروجی ها از حد مطلوب خارج شوند در این صورت ممکن است سیستم به کلی از کنترل خارج شود. مثلاً ماشین لباسشویی نوعی سیستم کنترل حلقه باز است که در آن خیس کردن، شستن و آبکشی بر اساس یک زمان بندی از قبل تعیین شده انجام می شود. ماشین، سیگنال خروجی را که تمیزی لباس ها است، اندازه گیری نمی کند.

 

در سیستم های حلقه باز خروجی با ورودی مرجع مقایسه نمی شود، پس به ازای هر ورودی مرجع، یک شرایط کاری ثابت وجود دارد، بنابراین دقت سیستم به تنظیم آن بستگی دارد. اگر اغتشاش وجود داشته باشد، سیستم کنترل حلقه باز نمی تواند وظیفه مطلوب را انجام دهد. سیستم کنترل حلقه باز را در عمل تنها زمانی می توانید به کار ببرید که رابطه ورودی و خروجی معلوم بوده، اغتشاش خارجی و داخلی وجود نداشته باشد. در سیستم های حلقه باز، ورودی به فرآیند در هر لحظه از زمان، بدون توجه به خروجی آن تعیین می گردد. به عبارتی دیگر می توان گفت این سیستم کنترل فاقد مسیر برگشت است. هر سیستم کنترلی که بر اساس زمانبندی کار می کند حلقه باز است. چراغ های راهنمایی که بر اساس زمانبندی کار می کنند نمونه دیگری از کنترل حلقه باز هستند.

کنترل حلقه بسته

در اینگونه سیستم ها یک (یا چند) مسیر برگشت از خروجی به ورودی سیستم پروسه وجود دارد و بنابراین ورودی پروسه در هر لحظه، تحت تأثیر اختلاف خروجی با مقدار مطلوب است. در سیستم های حلقه بسته، حاصل مقایسه خروجی واقعی پروسه با مقدار مطلوب، سیگنال خطا است. سیستم کنترل دمای اتاق (یخچال) نمونه ای از چنین سیستمی است. ترموستات با اندازه گیری دمای اتاق و مقایسه آن با یک درجه حرارت مرجع (دمای مطلوب) وسیله گرمایش یا سرمایش را به کار می اندازد یا آن را قطع می کند تا دمای اتاق مقدار مطلوبی داشته باشد.

سیستم های کنترل فیدبک دار تنها منحصر به دنیای مهندسی نیستند، بلکه در زمینه های غیر مهندسی نیز یافت می شوند. برای مثال بدن انسان یک سیستم کنترل فیدبک بسیار پیشرفته دارد. هم دمای بدن و هم فشار خون توسط فیدبک های زیستی ثابت نگاه داشته می شوند. در واقع فیدبک نقشی حیاتی در زندگی انسان دارد و بدن انسان را به اغتشاش های خارجی نسبتاً غیر حساس می کند تا انسان بتواند در شرایط متغیر محیطی کار خود را انجام دهد. در این نوع کنترل برای جبران اثر اختلال، خروجی سیستم اندازه گیری می شود و در صورتی که خروجی از مقدار مطلوب فاصله داشته باشد، تدابیر کنترلی مناسب برای جبران آن اعمال می شود. به این صورت که خروجی سیستم اندازه گیری شده و تفاوت آن با مقدار مطلوب محاسبه می گردد. تفاوت بین این دو کمیت به کنترل کننده داده شده و کنترل کننده با توجه به میزان این خطا، فرآیند را کنترل می کند.

(سیگنال خطا) E= (نقطه تنظیم) SP – (میزان اندازه گیری شده) MV

 

 

توجه کنید که صفر نمودن خطا در عمل امکان پذیر نیست و در هر سیستم کنترلی همیشه تفاوت ناچیزی بین خروجی مطلوب و خروجی واقعی وجود خواهد داشت، اما تا زمانی که این خطا تا حد قابل قبول باشد از آن چشم پوشی می گردد. سیستم های کنترل فیدبک دار را غالباً سیستم های کنترل حلقه بسته می نامند. در عمل سیستم های کنترل حلقه بسته و سیستم های کنترل فیدبک دار به یک معنی به کار می روند. در سیستم کنترل حلقه بسته، سیگنال خطا که تفاضل سیگنال ورودی و سیگنال فیدبک شده است، برای کاهش خطا و رساندن خروجی به مقدار مطلوب، به کنترل کننده داده می شود و سیگنال فیدبک شده می تواند خود خروجی، یا تابعی از خروجی و مشتق و انتگرال آن باشد.

خصوصیات سیستم کنترل حلقه بسته

مزایای کنترل حلقه بسته عبارتند از:

1.  باعث رسیدن کمیت تحت کنترل به مقدار مطلوب می شود.
2.  اثر اغتشاشات روی پاسخ سیستم (متغیر تحت کنترل) را می تواند حذف نموده یا به حداقل برساند.
3. می تواند اثر تغییرات پارامترهای حلقه، روی پاسخ سیستم را حذف کند یا به حداقل برساند.
4.   به وسیله کنترل حلقه بسته می توانید سیستمهای ناپایدار را پایدار نمایید.

معایب کنترل حلقه بسته عبارتند از:

1.  به سبب نیازمندی به عناصر مسیر فیدبک، اندازه گیری هزینه و پیچیدگی کنترل سیستم افزایش می یابد.
2.  کنترل حلقه بسته به علت تأثیر گذاری روی محل قطب های سیستم ممکن است باعث ناپایداری سیستم شود.

مقایسه سیستم های کنترل حلقه بسته و حلقه باز

 فیدبک، پاسخ سیستم را نسبت به اغتشاش خارجی و تغییر پارامترهای داخلی سیستم تقریباً بی اثر می کند و این یکی از مزایای سیستم های کنترل فیدبک دار است. بنابراین می توانید با استفاده از اجزاء ارزان و نه چندان دقیق دستگاه را به خوبی کنترل نمایید، کاری که در سیستم های حلقه باز ناممکن است. از دیدگاه پایداری، ساختن سیستم های کنترل حلقه باز ساده تر است، زیرا در این سیستمها مشکل ناپایداری وجود ندارد.

ولی در سیستم های کنترل حلقه بسته پایداری یک مشکل اساسی است، این مشکل باعث می شود سیستم با دامنه ای ثابت و یا متغیر نوسان کند. باید تأکید کرد که اگر در سیستمی ورودی از قبل معلوم است و اغتشاش وجود ندارد، بهتر است کنترل را به صورت حلقه باز انجام دهید. سیستم کنترل حلقه بسته تنها هنگامی برتری خود را نشان میدهد که اغتشاش های پیش بینی نشده و یا تغییرات غیرقابل پیش بینی بین اجزای سیستم وجود داشته باشد.

توجه کنید که قدرت خروجی تا حدی هزینه، وزن و اندازه سیستم کنترل را تعیین می کند. تعداد اجزای سیستم کنترل حلقه بسته، از تعداد اجزای سیستم کنترل حلقه باز بیشتر است؛ بنابراین سیستم کنترل حلقه بسته معمولا گران تر است و توان بیشتری می خواهد. برای کاهش توان لازم سیستم، می توانید در صورت امکان از کنترل حلقه باز استفاده کنید. معمولاً ترکیب کنترل های حلقه باز و حلقه بسته ارزان تر است و عملکرد مطلوب برای کل سیستم را به همراه دارد.

نمونه هایی از سیستم های کنترل

سیستم کنترل سرعت

 مقدار سوختی که به ماشین می رسد، بر اساس تفاضل سرعت مطلوب و سرعت واقعی ماشین تنظیم می شود. برای کنترل سرعت یک ماشین، رشته عملیات کنترلی به گونه ای انجام می شود که در سرعت مطلوب، روغن تحت فشار به سیلندر قدرت وارد نشود. اگر سرعت موتور در اثر اغتشاش از حد مطلوب کمتر شود، شیر کنترل به سمت پایین حرکت می کند.

این حرکت باعث افزایش ورود سوخت می شود و سبب می شود که سرعت افزایش یابد تا به حد مطلوب برسد. اگر سرعت موتور بیشتر از حد مطلوب شود، شیر کنترل به سمت بالا حرکت می کند. این حرکت باعث کاهش ورود سوخت می شود، در نتیجه سرعت ماشین کاهش می یابد و به حد مطلوب می رسد. در سیستم کنترل سرعت، دستگاه (سیستم تحت کنترل) ماشین و متغیر تحت کنترل سرعت آن است.

 تفاضل بین سرعت مطلوب و سرعت واقعی ماشین را سیگنال خطا گویند. سیگنال کنترل، قدار سوختی است که به ماشین اعمال می شود. ورودی های خارجی که باعث تغییر متغیر تحت کنترل می شوند، اغتشاش نامیده میشوند. به عنوان مثال تغییر غیر منتظره بار ماشین یک اغتشاش است.

سیستم کنترل روبات

 از روبات ها برای افزایش بازدهی در صنعت استفاده می شود. روبات ها کارهای یکنواخت و پیچیده را به خوبی انجام می دهند و می توانند در محیط های غیرقابل تحمل برای انسان (مثل دماهای غیر عادی خیلی زیاد و خیلی کم) یا در فشارهای بالا و پایین کار کنند؛ مانند روبات های خاصی که در آتش نشانی، تحقیقات زیر دریایی، اکتشافات فضایی و غیره استفاده می شوند.

روبات های صنعتی دارای نوعی وسیله حس کننده هستند. روبات اول وسیله را لمس کرده و وجود آن در فضا را تأیید می کند سپس سراغ گام بعدی، مثلاً برداشتن آن می رود.

در روبات های پیچیده تر یک وسیله بصری (مثلاً یک سیستم تلویزیونی) برای دیدن اجسام اطراف به کار می رود. این وسیله الگوی جسم را تشخیص داده، بودن یا نبودن جسم را معین می کند. برای پردازش سیگنال ها جهت تشخیص الگو از کامپیوتر استفاده می شود. در بعضی کاربردها روبات با استفاده از فرآیندهای تشخیص الگو، وجود و جهت اشیاء را با توجه به بارکد کالا تشخیص می دهد، سپس آن را برداشته و به محل نصب می برد. در این سیستم یک کامپیوتر با برنامه ای دقیق عمل کنترل را انجام می دهد.

شبکه های تبادل اطلاعات صنعتی

منظور از شبکه های تبادل اطلاعات صنعتی، به کارگیری سیستم های سخت افزاری/نرم افزاری و ایجاد معماری مناسب برای تبادل اطلاعات در محیط های صنعتی است. تبادل اطلاعات که به منظور عملکرد بهتر سیستم های کنترلی خواهد بود، می تواند تبادل اطلاعات دیجیتالی بین سیستم های کنترلی (PLC ،FCS ،DCS) یا عناصر اولیه کنترل و یا عناصر نهایی کنترل را شامل می شود.

در گذشته تبادل اطلاعات صنعتی به صورت آنالوگ و یا بعد از آن حتی به صورت دیجیتال ولی تک سیگنالی بوده است. به بیان دیگر زمانی که سیستم های کنترلی به صورت Signal Loop معمول بود، تبادل اطلاعات بیشتر به صورت آنالوگ صورت می گرفت.

بعد از پیدایش نسل های اولیه DCS و PLC نیز شیوه تبادل اطلاعات بین سایت و اتاق کنترل به صورت آنالوگ و یا دیجیتال تک سیگنالی بود. بیان این موضوع ضروری است که در سیستم های کنترل توزیعی شبکه صنعتی داخل اتاق کنترل ایجاد و طبیعتاً تبادل اطلاعات به روشی غیر از روش آنالوگ معمول بود.

با پیچیده تر شدن فرآیند تولیدی در کارخانجات (به ویژه واحدهای تولیدی شیمیایی، نفت، گاز و پتروشیمی) وظایف سیستم های کنترلی نیز بیشتر شد. هم چنین با پیشرفت فن آوری و پیدایش سیستم های کامپیوتری و از جانب دیگر انتظارات مصرف کنندگان برای بهبود کیفیت اجناس مصرفی، سیستم های کنترلی پیچیده تر شد. بدیهی است با این شرایط، تبادل اطلاعات از اتاق کنترل به سایت و هم چنین تبادل اطلاعات بین ادوات مختلف سیستم مرکزی کنترل به روش سنتی و یاد شده در بالا عملی نخواهد بود.

با به کار گرفتن یک زوج سیم و تعریف سیگنالهای دیجیتال، می توان تعداد زیادی اطلاعات را به صورت بسته های دودویی و به صورت سریال از محلی به محل دیگر منتقل نمود. این انتقال روی زوج سیم می تواند به صورت دو طرفه باشد و برای اینکه فرستنده و گیرنده اطلاعات به خوبی بتوانند عمل تبادل را انجام داده و از صحت و سقم آن مطمئن باشند لازم است یک سری قوانینی در این موضوع وضع شود. این مجموعه قوانین مسبب عدم تطبیق ادوات به کار برده با یکدیگر خواهد شد.

ویژگی های مهم شبکه تبادل اطلاعات صنعتی

پروتکل های متعددی تعریف و هرکدام دارای کاربردهای خاص خود است، اما به طور کلی می توان گفت ما به عنوان کاربر معمولاً دنبال ایجاد شبکه تبادل اطلاعات صنعتی ای هستیم که حداقل دارای خواص ذیل باشد:

• انتقال اطلاعات به صورت Real Time  باشد، به بیان دیگر Baud Rate انتقال داده (یا نرخ تبادل اطلاعات) به اندازه ای باشد که سیکل زمانی شبکه از کمترین زمان لازم برای تغییر اطلاعات کمتر باشد.
• ادوات به کار گرفته شده متناسب با شرایط فیزیکی و محیط خشن صنعتی باشد.
• شبکه تأسیس شده دارای معماری سخت افزاری و نرم افزاری مناسب برای سیستم های کنترل باشد، از جمله اینکه امکان Plug & Play  وجود داشته باشد.
• امکان ایجاد توپولوژی های مختلف شبکه، باس در شبکه های صنعتی وجود داشته باشد و در نهایت شبکه به صورت باز باشد، یعنی امکان سازگاری ادوات مختلف با شبکه وجود داشته باشد وجود داشته باشد.

برای فراهم شدن بستر یک سیستم کنترل مبتنی بر کامپیوترهای صنعتی، یکی از نیازها همان استفاده از پروتکلی است که امکان دسترسی به شرایط پنج گانه بالا را مهیا نماید. لذا، قبل از هر چیز می پردازیم به تعریف پروتکل، سپس ساختار استاندارد انتقال اطلاعات و معرفی بعضی پروتکل های قابل استفاده در کنترل صنعتی.

تعریف پروتکل

مفهوم لغوی پروتکل به معنی مقاوله نامه و یا پیش نویس معاهده یا قراداد است. از لحاظ تعریف صنعتی در شبکه ها نیز این مفهوم می تواند محقق شود، با این بیان که استفاده کنندگان یا رعایت کنندگان یک پروتکل انتقال داده موظف هستند ادوات خود را به گونه ای بسازند یا شبکه خود را به صورتی بنا کنند تا امکان برقراری ارتباط داده ای با آن دستگاه همگام با رعایت شرایط پیش بینی شده باشد. از جانب دیگر با رعایت یک پروتکل در ادوات گوناگون امکان سازگاری ادوات ساخته شده مختلف با یکدیگر عملی می شود.

مدل OSI در پروتکل های شبکه

ساختار داده ها: سازمان مستقل استاندارد ISO مدل مرجع OSI را جهت برقراری امکانات ارتباطی به هم پیوسته باز، توسعه داده است. یک ارتباط به هم پیوسته باز به گونه ای است که محیط های کاری سازنده های مختلف رعایت کننده پروتکل را پشتیبانی می کند. این مدل جهانی استاندارد تعریف لایه های مورد نیاز برای پشتیبانی برقراری ارتباط بین دو کامپیوتر را پایه گذاری می نماید. در زمان توسعه مدل مرجع OSI از آن به عنوان یک روش بنیادی نام برده می شد. در آن زمان کاربران با خرید یک سیستم به طور کامل به سازنده آن وابسته بودند و به کارگیری عملیات Modularity یا لایه بندی برای تمام سازندگان در هر مورد عملیات تولید متضاد به نظر می رسید.

لذا برای فراهم شدن زمینه رقابت در بین سازندگان با تبعیت از مدل مرجع OSI شرایطی فراهم شد که امروزه برقراری ارتباطات باز بین تمامی قطعات کامپیوتر امری بدیهی است. هرچند امروزه تعداد کمی از سازندگان از این مدل استفاده می کنند، در عوض چارچوب اساسی استفاده از لایه های آن دائماً برای استانداردهای جدید استفاده می شود. با این وجود مدل مرجع OSI یک مکانیزم با ارزش برای نشان دادن روش عملیاتی یک شبکه است.

شکل بالا، مدل مرجع OSI را نمایش می دهد. لایه های یک الی ۳  دسترسی به شبکه را فراهم می سازد، در حالی که لایه های ۴ الی ۷ تأمین امکانات پشتیبانی از ارتباطات را در بر می گیرد. 

شماره لایه	شرح لایه های مدل مرجعOSI
لایه ۷	لایه کاربردی
لایه ۶	لایه نمایش
لایه ۵	لایه جلسه (نشست)
لایه ۴	لایه حمل (انتقال)
لایه ۳	لایه شبکه
لایه ۲	لایه پیوند داده ها
لایه ۱	لایه فیزیکی

 

   لایه ۱ (لایه فیزیکی): این لایه مسئولیت انتقال بیت ها را به عهده دارد. بسته های داده را از لایه ۲ گرفته، ساختار و محتویات سریالی آن ها را به صورت یک بیت در هر مقطع زمانی انتقال می دهد.

   لایه ۲ (لایه پیوند داده ها): لایه پیوند داده ها دارای دو مسئولیت ارسال و دریافت داده است. بدین منظور برای اینکه صحت عمل تحویل داده تضمین شود باید:

• گروه مبدا از دریافت صحیح هریک از چارچوب ها در گره مقصد مطلع و دریافت را تصدیق نماید.
• گره مقصد قبل از دریافت تصدیق یک چارچوب سالم، محتویات آن چارچوب را بررسی نماید.

   لایه ۳ (لایه شبکه): این لایه مسئولیت برقراری مسیر جهت استفاده بین کامپیوترهای مبدأ و مقصد را به عهده دارد. در ضمن این لایه فاقد هرگونه مکانیزم شناسایی، تصحیح خطا بوده لذا وابسته به صحت سرویس انتقال از طرف لایه پیوند داده هاست. استفاده از لایه شبکه اختیاری بوده و در صورتی مورد نیاز می شود که قسمت های مختلف شبکه به وسیله یک مسیر یاب جداسازی شده باشد.

   لایه ۴ (لایه حمل یا انتقال): لایه حمل، سرویس مشابهی مانند لایه پیوند داده هاست بدین معنا که به عهده گرفتن مسئولیت سلامت انتقال را در بر عهده دارد .

   لایه ۵ (لایه جلسه یا نشست): این لایه به عنوان یک لایه مجزا به کار گرفته نمی شود. بسیاری از پروتکل ها، عملیات این لایه را در لایه حمل قرار می دهند.

   لایه ۶ (لایه نمایش): لایه نمایش، مسئولیت مدیریت و چگونگی کد گذاری داده ها را به عهده دار مسئولیت فراهم نمودن ترجمه بین روش های کد گذاری و ناسازگاری داده ها است.

   لایه ۷ (لایه کاربردی): برخلاف نام، این لایه شامل برنامه های کاربردی کاربر نیست، در عوض روابط مورد نیاز بین برنامه های کاربردی و سرویس شبکه ها را فراهم می سازد. عمل ارسال اطلاعات از یک ایستگاه و دریافت آن در ایستگاه بعدی مستلزم عبور اطلاعات از ۷ لایه است.

پروتکل ها و شبکه های صنعتی

   پروتکل های مخابراتی متعددی تعریف و در صنعت استفاده می شود. اما آنچه در اینجا مورد نظر است اینکه تنها به معرفی سه پروتکل صنعتی FieldbusHART , Foundation  و Profibus ذکر ویژگی های هر کدام پرداخته شود. در کل، این نکته قابل ذکر است که هدف معرفی سه پروتکل عنوان شده و بیان این موضوع است که شبکه های صنعتی یاد شده در پی ایجاد ارتباط بهتر، سریع تر و مطمئن تر بین اتاق کنترل و سطح ادوات نصب شده در سایت است.

پروتکل HART

یکی از شبکه های صنعتی قدیمی شبکه صنعتی HART است. در واقع برپایی شبکه بر مبنای پروتکل HART یکی از روش های قدیمی است. با توجه به کارایی و قدمت این پروتکل، ادعای Field Proven بودن آن دور از انتظار نیست هرچند گاهی پروتکلHART و شبکه مبتنی بر آن را شبکه نیمه صنعتی می نامند. گرچه امروزه کمتر از این روش استفاده می شود، ولی پروتکل مخابراتی HART و شبکه مخابراتی HART دارای این قابلیت است که اطلاعات دیجیتال را توسط سیگنال آنالوگ و از طریق یک سیگنال استاندارد تبادل نماید.

اطلاعات دیجیتال و آنالوگ ارسالی بر مبنای پروتکل HART به طور هم زمان و بدون توقف ارسال خواهد شد. این پروتکل از روش FSK یا بر مبنای تعریف صفر و یک به فرکانس عمل می نماید. همان گونه که در شکل زیر نمایش می دهد با سوار شدن سیگنال فرکانس روی سیگنال جریان امر انتقال اطلاعات محقق می شود. با توجه به اینکه میانگین سیگنال فرکانس سیسنوسی صفر است، لذا هیچ گونه مزاحمتی برای سیگنال آنالوگ نخواهد داشت. استانداردی که در اینجا به کار برده می شود استاندارد مخابراتی Bell 202است.

در ادوات ابزار دقیق قابل نصب در سایت (از جمله دستگاه های اندازه گیری، عناصر نهایی کنترل) می توان از پروتکل HART استفاده نمود به طوری که سیگنال    آنالوگ و سیگنال فرکانس به طور هم زمان تبادل و در مقصد تفکیک شوند. با توجه به اینکه سیگنال آنالوگ سریع تر عمل می کند، می توان آن را برای مقاصد کنترلی استفاده نمود و در عوض سیگنال دیجیتالی سوار بر آن می تواند دارای کاربردهایی همچون تشخیص خطا، تعمیرات و اطلاعات غیرکنترلی نظیر مشخصات فنی حلقه کنترل باشد.

در این پروتکل پیش بینی شده  است که انتقال اطلاعات به صورت Poll Response یا Burst Transmission  و هم چنین به صورت Signal Loop باشد. در ضمن از طریق HART Communicator امکان تنظیم و کالیبراسیون دستگاه های متصل به شبکه هم از سایت و هم از اتاق کنترل عملی است. در زیر بعضی از خصوصیات شبکه مبتنی بر HART ذکر می گردد:

1. HART توسط اغلب سازندگان ادوات ابزار دقیق حمایت می شود.
2. با استفاده از روش ارتباطات دو سیمه دیجیتالی، امکان استفاده از آن برای انتقال دو طرفه سیگنال های ۴~۲۰m A  و هم چنین دیجیتال فراهم است.
3. با تمامی ادوات ابزار دقیق آنالوگ قابلیت سازگاری دارد.
4. امکان دسترسی به تمامی اطلاعات مهم حلقه کنترل و شرایط تشخیص خطا را هنگام نصب و یا تعمیرات فراهم می سازد.
5. با ایجاد شبکه و استفاده از مزایای آن امکان صرفه جویی در کابل کشی خواهد بود.
6. با ایجاد شبکه کنترل هوشمند امکان کاهش هزینه های بهره برداری به این طریق فراهم است.

تجهیزات HART می توانند در یکی از دو حالت پیکربندی شبکه  که در زیر نمایش داده شده کار کنند. این دو حالت عبارتند از:

۱- نقطه به نقطه (Point to Point)

۲- Multi drop

منظور از Master در سیستم کنترل

در یک سیستم کنترلی یک Server یا Master ورودی ها را می خواند و روی خروجی می نویسد و از دستگاه های دیگر اطلاعات درخواست می کند.

---

مقاله پیشنهادی: انواع سیستم های کنترل صنعتی

---

پروتکل Foundation Fieldbus

در شبکه های صنعتی مبتنی بر فیلدباس انتقال اطلاعات به طور کامل به صورت دیجیتال و دو طرفه بوده که در سطح Field تمام ادوات می توانند با تبعیت از یک توپولوژی خاص به صورت موازی به یکدیگر اتصال یابند. اطلاعات تبادل شده می تواند به صورت Real Time و شامل مقادیر اندازه گیری شده، محاسبه شده، پارامتهای Start Up، کالیبراسیون، تشخیص خطا و … باشد.FF در حقیقت یک شبکه LAN در سطح ادوات Field و به صورت باز بوده و عملیات کنترل در خود ادوات Field انجام می گیرد. FF از لحاظ ساختار سخت افزاری در سه سطح مطرح می شود:

• Supervisory System (سیستم کنترل و سوپروایزری مرکزی)
• Fieldbus (ارتباطات بین اتاق کنترل و سایت)
• Field (ادوات نصب شده در سایت)

 به بیانی ، همانگونه که در شکل زیر نمایش می دهد FF ارتباط بین Field و سیستم کنترل مرکزی را برقرار می سازد. اما آنچه در این پروتکل مطرح است پیروی آن از مدل مرجع هفت لایه ای ISO/OSIاست.شکل زیر نحوه الگوبرداری FF از مدل مرجع را به صورت مقایسه ای نشان می دهد. در این جا کل لایه ها به دو لایه فیزیکی و پشته ارتباطات تقسیم و تبدیل می شود.

لایه فیزیکی در FF

می دانیم این لایه مسئولیت انتقال داده را به عهده دارد، اما چگونه؟ لایه فیزیکی براساس آنچه استانداردهای IEC و ISA پیش بینی کرده است، پیام ها را از پشته ارتباطات گرفته و تبدیل به سیگنال های فیزیکی می نماید. این سیگنال های فیزیکی قابل انتقال روی باس بوده و می توان اشاره ای داشت به حالت عکس وظیفه لایه فیزیکی و خواندن اطلاعات از روی باس که دقیقاً عملی عکس عمل بالا انجام می پذیرد.

از طرفی بر اساس استاندارد IEC دو نوع Bus تعریف شده است. یکی تعریف H1 بر اساس IEC~61158-2 که یک باس ذاتاً ایمن است و H2 که یک باس با سرعت ۱ الی ۲٫۵ مگابیت بر ثانیه است. H1 در هر دو ناحیه ایمن و غیر ایمن کاربرد دارد و ارتباط این دو ناحیه از طریق Safety Barrier ها انجام می پذیرد. از طرفی در حال حاضر H1 نمی تواند به صورت افزونه در نظر گرفته شود، لذا این موضوع تا حدودی کارآیی آن را کاهش می دهد. H2 با استفاده از HSE دایر می شود، از طرفی به راحتی قابل ایجاد بوده و ارزان قیمت هم هست. هم چنین امکان اینکه این شبکه هم از طریق فیبر نوری و هم با استفاده از خطوط الکتریکی ایجاد شود وجود دارد. برای اتصال H1  با سرعت کم به HSE با سرعت بالا ازBridge استفاده می کنیم که هماهنگی جهت ایجاد تطبیق سرعت ها با این Bridge است.

لایه کاربر

لایه کاربر، نحوه دسترسی به اطلاعات را برای ادوات مبتنی بر فیلدباس تعریف می نماید، به طوری که ممکن است این اطلاعات برای استفاده در دیگر ادوات توزیع شود و یا از طریق گره های شبکه در دسترس دیگر ادوات باشد. اساس معماری ادوات مبتنی بر فیلد باس روی بلوک های عملیاتی بنا نهاده شده است.

بدین منظور بلوک های عملیاتی متعددی را تعریف نموده اند تا زبان محاوره ادوات و سیستم کنترل مرکزی مبتنی بر فیلد باس یکسان باشد. به طور کلی می توان گفت بلوک های عملیاتی تعریف یک مفاهیم کلیدی برای سیستم های مبتنی بر فیلد باس است که تمامی عملیات بطور واحد تعریف و معرفی شده است.

شبکه انتقال یا پشته ارتباطات در FF

   شبکه انتقال دارای ویژگی های زیر است:

• کلیه ادوات (از جمله کنترل کننده) دارای توانایی تبادل اطلاعات با دیگر Device ها است.
• عملیات کنترلی حلقه های کنترل اثر نامطلوب روی دیگر حلقه ها ندارد.
• از طرفی بیش از یک وسیله به طور هم زمان نمی تواند Bus را در اختیار بگیرد.

سرویس های تبادل اطلاعات در FF به دو دسته تقسیم می شوند: اطلاعات برنامه ریزی شده و اطلاعات برنامه ریزی نشده مانند پارامترهای تشخیص خطا و عیب یابی. برای انتقال اطلاعات یک LAS تعریف و این گونه عمل می کند که یک سیگنال به طور هم زمان برای تمام وسیله های روی خط ارسال می شود تا برنامه زمان بندی برای همه ادوات یکسان باشد. در فاصله زمانی مشخص و با توجه به برنامه زمان بندی شده، عملیات انتقال اطلاعات طبق برنامه انجام می پذیرد. در این هنگام چنان چه در سیکل زمانی باس فرصت کافی وجود داشته باشد کارهای برنامه ریزی شده به کمک Token شناسایی و انجام می شود و عملیات بدون برنامه نیز به لیست مربوطه اضافه می شود.

---

مقاله پیشنهادی: انواع PLC و ساختار آن

---

ویژگی های شبکه های صنعتی FF

• دسترسی به اطلاعات (مهندسی، مدیریتی، تعمیراتی، …) در این گونه شبکه ها بسیار آسان و سریع است.
• شبکه هوشمند است، لذا توانایی جمع آوری هرگونه اطلاعات مهندسی برای اهداف نگهداری، تعمیرات و ایمنی فراهم خواهد بود.
• انتقال قدرت از طریق Bus انجام می پذیرد.
• امکان اجرای توپولوژی های Line, Star یا Tree وجود دارد.

سازگاری در شبکه صنعتی FF

همانگونه که در ویژگی های فیلدباس و به طور کلی گفته شد، مسئله سازگاری بحث مهمی است که در سیستم های کنترل مبتنی بر فیلد باس مطرح است. هدف اولیه از ظهور فیلدباس بر این اساس بوده تا سیستمی را طراحی کنند که مبتنی بر یک پروتکل باز باشد، بدین مفهوم که سیستم هایی را به صنعت عرضه نمایند که سیستم کنترل فوق قادر باشد با ادوات و دستگاه های ساخت دیگر سازندگان سازگاری داشته باشد (قابل تطبیق باشد). موضوع ایجاد شبکه صنعتی باز برای کاربران می تواند از جذابیت زیادی برخوردار باشد، اما این سازگاری در چه سطوحی پیش بینی شده است؟ قابل ذکر است بحث سازگاری در سیستم های کنترل مبتنی بر FF در دو سطح H1 و HSE مطرح است:

• سازگاری در سطح H1 به این مفهوم است که ادوات ساخت سازندگان مختلف روی یک Segment باید هم قابلیت Link شدن با هم را داشته باشند و هم قدرت تبادل اطلاعات. بدیهی است چنانچه سازگاری در سطح H1 نتواند عملی شود می توان مدعی شد موضوع طراحی شبکه صنعتی باز مبتنی بر فیلد باس کاملاً منتفی و به بیان دیگر نقض غرض شده است.
• سازگاری در سطح HSE کلیه ادواتی که در سطح HSE به شبکه متصل می شوند باید قابلیت این را داشته باشند که بتوانیم از سازندگان مختلف تأمین کنیم، از طرفی توسط یک نرم افزار مهندسی قادر باشیم تمامی این ادوات را Configure کرده و برقراری Link و تبادل اطلاعات بدون مشکل عمل گردد.

شبکه های صنعتی Profibus

Profibus یک نمونه شبکه صنعتی باز یا سیستم فیلدباس استاندارد است که تا حدودی هم مستقل از سازنده بوده و Range وسیعی از کاربردها را در سیستم های کنترل صنعتی به خود اختصاص می دهد. تائیدیه باز بودن سیستم مبتنی بر این پروتکل و عدم وابستگی آن ابتدا توسط استاندارد  DIN 19245 و سپس EN 50170 و EN 50254 گواهی شده است. هم چنین تطبیق و سازگاری تبادل اطلاعات بین ادواتی که مبتنی بر Profibus ساخته می شوند امکان پذیر خواهد بود. تبادل سیگنال در سطح ادوات سایت از طریق Busسیگنال ها را به صورت پریودیک دیجیتال و دو طرفه انتقال خواهد داد. در سطح Field و یک مرحله بعد از ادوات نصب شده در سایت، همچون کارت های ورودی/خروجی،Drive Unitها، شیرها، ترمینال ها و … تبادل اطلاعات از طریق یک سیستم Real Time مخابراتی مطمئن صورت خواهد پذیرفت.

انواع مختلف پروتکل Profibus

 می توان پروتکل Profibus را با مدل مرجع OSI مقایسه کرد:

 از مدل مرجع OSI در Profibus تنها از سه لایه ۱ و ۲ و ۷ الگوبرداری شده است. Profibus با توجه به کاربرد می تواند به سه شاخه زیر تبدیل شود:

Profibus PA: در اتوماسیون فرآیندها کاربرد داشته و هم چنین چون ذاتاً ایمن است در مناطق خطرناک استفاده می شود. تغذیه لازم برای ادوات و متعلقات متصل شده به سایت یک تک زوج سیم و از خود باس تأمین می شود.

Profibus DP: در سیستم های کنترل با سرعت بالا استفاده می شود، از جمله خط مونتاژ و بسته بندی. برای مثال برای انتقال اطلاعات ورودی/خروجی به حجم یک کیلو بایت به کمتر از دو میلی ثانیه زمان نیاز داریم. هم چنین انتقال داده می تواند به صورت سیکلیک یا غیر سیکلیک باشد.

Profibus FMS: که امروزه کمتر به کار برده می شود و علت آن توانایی های Profibus DP و ضعف بقیه است. به طور کلی Profibus از پروفایل های فیزیکی RS-485 و IEC-1158 استفاده می کند.

برای ارتباط پروفایل های فیزیکی مختلف در یک شبکه واحد Profibus از واسط هایی به نام Coupler و یا Link استفاده خواهیم نمود. ساختار باس ایجاد شده امکان بسط و یا حذف قسمت هایی از شبکه را به ما می دهد، به طوری که روی قسمت های دیگر شبکه هیچ گونه تأثیری نگذارد. هم چنین در این پروتکل تمام توپولوژی ها امکان پیاده سازی داشته و بدون نصب تکرار کننده تا ۳۲ دستگاه را می توان روی یک باس نصب نمود و این رقم تا ۱۲۶ دستگاه با استفاده از تکرار کننده قابل افزایش است. ماکزیمم طول مجاز برای ایجاد شبکه ۱۹۰۰ متر است که بسته به تعداد ادوات و سرعت انتقال داده این رقم معمولاً کمتر می شود.

ویژگی های شبکه های صنعتی Profibus

 علاوه بر تمام ویژگی هایی که به یک سیستم کنترل مبتنی بر فیلد باس نسبت داده می شود می توان گفت:

• به علت اینکه این پروتکل مخابراتی پروفایل های مختلفی را دارد، لذا می توان از تمامی مزایای این پروفایل ها به صورت مکمل یکدیگر استفاده نمود. این موضوع می تواند به گسترش مجاز شبکه کمک زیادی کند.
• Profibus دارای سیستم باس باز و هم چنین مستقل از سازنده است.
• Profibus یک سیستم کامل دیجیتال و دو طرفه است.
• انتقال تغذیه از طریق باس امکان پذیر است (با استفاده از سیم های تک زوج)
• Profibus ایمنی ذاتی داشته و در مناطق خطر کاربرد دارد.

---

مقاله پیشنهادی: طراحی سیستم های توزیع انرژی

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات از ما بپرسید یا با ارائه پیشنهادات خود، ما را در بالا بردن کیفیت مقالات یاری کنید.