شبکه صنعتی چیست

شبکه‌های صنعتی به‌منظور تبادل اطلاعات و امکانات مابین کنترلرها (PLC) و تجهیزات ابزار دقیق به کار می‌رود. شبکه‌ صنعتی یک مسیر یا گذرگاه جهت تبادل دیتا ایجاد می‌کند. این مسیر همانند یک جاده برای عبور اتومبیل‌ها می‌باشد، با این تفاوت که در شبکه صنعتی، دیتا تبادل می‌شود. پروتکل یک شبکه نحوه کد دهی دیتا و چگونگی ارسال و دریافت و سایر موارد مرتبط با آن را مشخص می‌کند. تا قبل از طراحی شبکه‌های صنعتی اطلاعات از سنسورها و عملگرها با سیم‌کشی مستقیم به کنترلر منتقل می‌گردید اما با طراحی شبکه‌های صنعتی و استفاده از آن‌ها این امکان به وجود آمد که سیگنال‌های الکتریکی ابتدا به دیتا تبدیل‌شده و این دیتا توسط شبکه‌های صنعتی به کنترلر منتقل گردد.  تصور کنید، در یک واحد صنعتی، چندین خط تولید وجود دارد و این خطوط نیاز دارند تا اطلاعاتی را بین دیگر کنترلرها ( مثلاً PLCها) و سیستم‌های مانیتورینگ  انتقال دهند، طبیعتاً باید برای انتقال این حجم از اطلاعات از شبکه و پروتکل‌های مختلف استفاده کرد.

• سلسله ‌مراتب در شبکه صنعتی
• روش‌های انتقال
• پروتکل
• ملاحظات طراحی شبکه
• دلایل استفاده از شبکه صنعتی
• معرفی شبکه‌های صنعتی
• اصول شبکه کردن
• و…

شبکه Modbus :

شبکه ModBus یک پروتکل ارتباطی  منبع باز (Open Source) است که در سال ۱۹۷۹ توسط Modicon عرضه شد. ایده اولیه این پروتکل، استفاده درPLC ها بود ولی به‌تدریج به‌عنوان یک استاندارد ارتباطی پذیرفته شد و بسیاری از سازندگان تجهیزات اتوماسیون آن را پشتیبانی کردند. بدین ترتیب Modbus به‌صورت یک استاندارد باز عرضه شد، به‌گونه‌ای که محصولات سازندگان مختلف به سهولت توسط این پروتکل با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کردند. سازندگان وسایل کوچک نیز ترجیح دادند این شبکه را با ارتباط RS232 یا RS485 روی وسایل خود بکار ببرند تا استفاده از آن‌ها در پروژه‌های بزرگ میسر گردد.

دلایلی که پروتکل Modbus در محیط‌های صنعتی کاربرد فراوانی دارد عبارت‌اند از:

1. جهت کاربردهای صنعتی توسعه و گسترش‌یافته است.
2. به‌صورت رایگان و open source منتشرشده است.
3. گسترش‌پذیری و نگهداری ساده‌ای دارد.
4. اجازه انتقال بیت‌ها و بایت‌ها را بدون محدودیت خاصی به تولیدکننده دستگاه می‌دهد.

Modbus جهت برقراری ارتباط بین تعداد زیادی دستگاه (به‌صورت تئوری تا ۲۵۰ دستگاه ولی در عمل حداکثر ۱۰ تا ۲۰ دستگاه) متصل به یک شبکه استفاده می‌شود، به‌عنوان‌مثال دما و رطوبت اندازه‌گیری شده توسط سنسورها و ترانسدیوسرها از طریق این پروتکل توسط کنترل‌کننده Master قرائت می‌شود. شکل زیر کاربرد این پروتکل در شبکه‌های صنعتی به‌صورت ارتباط RS232 نشان می‌دهد:

نحوه عملکرد پروتکل مدباس:

این پروتکل به‌صورت Master/Slave کار می‌کند. همیشه یک وسیله  Master و بقیه دستگاه‌ها به‌عنوان Slave  در شبکه قرار دارند. بدین‌صورت که Master هر دستگاه Slave را با آدرس خود آن فراخوانی می‌کند و Slave پاسخ آن را می‌دهد.

انواع پروتکل مدباس

• Modbus RTU  متداول‌ترین نگارش Modbus است. انتقال داده در این روش به‌صورت باینری فشرده صورت می‌گیرد.
• Modbus ASCII  از کاراکترهای ASCII جهت انتقال داده استفاده می‌کند.
•  Modbus/TCP  از استاندارد TCP/IP برای انتقال داده با سرعت بالاتر مورداستفاده قرار می‌گیرد.

ModBus Plus  که به‌صورت Token Pass و با سرعت‌بالا طراحی‌شده است و یک باس انحصاری است.

محدودیت‌های شبکه  ModBus

Modbus به دلیل استفاده از لینک‌های سریال RS232-RS485 دارای محدودیت‌هایی است، که به برخی از آن‌ها اشاره می‌گردد:

• کند بودن خطوط سریال که بین ۹۶۰۰ تا ۱۱۵۰۰۰بیت در ثانیه کار می‌کنند یعنی در ماکزیمم حالت ۰٫۱۱۵ Mbps   که این سرعت در مقایسه با شبکه‌های ارتباطی امروزی که ۱۰۰مگابایت در ثانیه  یا حتی چند گیگابایت در ثانیه سرعت دارند پایین است.
• ازآنجاکه توسط RS232 فقط دو وسیله و توسط RS485 بین ۲۰ تا ۳۰ وسیله امکان ارتباط دارند ازاین‌رو برای ارتباط دادن تعداد زیادی وسایل مثلاً ۵۰۰ وسیله نیاز به ارتباطات پیچیده درختی است.
• ارتباط سریال مدباس به‌صورت MASTER/SLAVE است بدین معنی که روی باس فقط یک وسیله   MASTER اجازه صحبت باSLAVE ها را دارد.

باوجوداین محدودیت‌ها شبکه ModBus در عرصه صنعت کاربرد بسیاری دارد. معمولاً در تابلوهایی که از تعداد زیادی اینورتر استفاده می‌شود شبکه مدباس بین plc و اینورترها راه‌اندازی می‌کنند.

شبکه پروفیباس ( Profibus)

Profibus یک استاندارد ارتباطی در اتوماسیون صنعتی است که برای فرآیندهای اتوماسیون دیجیتال و آنالوگ ( Factory Automation وProcess Automation ) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش ارتباطی، انعطاف‌پذیر، پایدار و به نسبت عملکرد آن ارزان‌قیمت است. پروفی‌باس بر مبنای تکنولوژی ارتباط سریال RS-485 طراحی‌شده است و امروزه انواعPLC ها ،HMI/SCADA ، سنسورها، درایوها، سرووها و حتی تجهیزات HART نیز قادر به اتصال به شبکه پروفی‌باس هستند. علت اصلی استقبال از Profibus ، کاهش قابل‌توجه حجم وایرینگ و سیم‌کشی برای اتصال انواع تجهیزات فیلد به سیستم کنترل است.

به‌طورکلی تجهیزات یک فیلد به دو روش پارالل و سریال می‌توانند با یکدیگر در ارتباط باشند:

• پارالل(موازی): در این روش برای هر سیگنال ورودی/خروجی به دو رشته سیم احتیاج است. یعنی برای اتصال ۱۰ سنسور به یک PLC به تعداد ۲۰ رشته سیم نیاز است.
• سریال: در این روش تنها دو رشته سیم برای اتصال تمام سیگنال‌های ورودی/خروجی به کنترلر مرکزی کافی است. پروفی‌باس از انتقال سریال استفاده می‌کند.

عملکرد پروفی‌باس

برای ارتباط پروفی‌باس، I/Oها را روی یک IO-Box پروفی‌باس جمع‌آوری کرده و سپس IO-Box ها را از طریق کابل پروفی‌باس (سیم دو رشته) به PLC متصل می‌کنیم. در روش انتقال پروفی‌باس ، اطلاعات شامل سیگنال‌ها و پاسخ‌ها از طریق یک کابل تکی که پالس‌های پروتکل ارتباطی را با ولتاژ پایین می‌فرستد، مخابره می‌شود. روش ارتباط سریال در انواع ارتباط RS232، مودباس، USB و…. نیز استفاده می‌شود ولی تفاوت اصلی پروفی‌باس با دیگر پروتکل‌های مشابه، توانایی سرعت ارتباط بالاتر و نویزپذیری کمتر ( قابلیت بالاتر شبکه) است.

انواع پروفی‌باس

شبکه Profibus DP می‌تواند حجم انبوهی از اطلاعات جمع‌آوری‌شده از سنسورها و عملگرهایی که در نقاط مختلف، به‌صورت غیرمتمرکز نصب‌شده‌اند، را توسط یک کابل دو رشته‌ای به اتاق کنترل منتقل کند. برای پیاده‌سازی شبکه پروفی‌باس، در اتاق کنترل یک ماژول Profibus DP IO را بر روی PLC نصب‌کرده و همچنین در فیلد نیز یک remote I/O نصب می‌کنیم. شبکه Profibus DP می‌تواند remote I/O نصب‌شده در فیلد را به ماژول Profibus DP IO روی PLC متصل کند.

شبکه Profibus-PA به‌منظور ارتباط مستقیم با Profibus-DP ، توسعه داده‌شده است. از Profibus-PA جهت برقراری ارتباط با تجهیزات نصب‌شده در محیط‌های قابل‌انفجار استفاده می‌شود. تغذیه مورد نیاز برای تجهیزات فیلد و مخابره اطلاعات بین تجهیزات و سیستم کنترل میزبان در شبکه Profibus-PA به‌صورت دیجیتال انجام می‌شود، به این معنی که دو رشته سیم موجود، علاوه بر انتقال دیتا، وظیفه انتقال ولتاژ تغذیه را نیز بر عهده دارد، درصورتی‌که در شبکه Profibus-DP تغذیه از طریق یک کابل مجزا تأمین می‌گردد. باید این نکته رعایت شود که جریان مورد نیاز برای تجهیزات PA از حداکثر میزان مجاز جریان برای کابل شبکه Profibus-PA تجاوز نکند.

اجزای کابل پروفی‌باس

اجزای کابل پروفی‌باس زیمنس به شرح زیر است:

1. مغز مسی
2. روکش مغز مسی
3. روکش سیلیکونی
4. فویل ضد نویز
5. شیلد محافظ
6. روکش پی‌وی‌سی- PVC

شبکه های Modbus ,ProfiBus, DeviceNet چه تفاوتی با هم دارند؟

شبکه های Modbus ,ProfiBus, DeviceNet چه تفاوتی با هم دارند؟بطور کلی، Modbus ,ProfiBus, DeviceNet هر سه از شبکه های صنعتی بوده و هریک کاربرد خاص خود را دارند.

ارتباط Modbus: ارتباطی دو سیمه بر پایه سریال بوده که اطلاعات طبق فریمی خاص انتقال پیدا می کنند.

ارتباط Device Net: این ارتباط بر پایه ارتباط CAN بوده و بسیار شبیه مدباس می باشد و به نوعی می توان تنها تفاوت آنها را در نرخ انتقال داده دانست. حداکثر نرخ انتقال داده در این ارتباط ۱ مگابیت بر ثانیه می باشد.

ارتباط ProfiBus: پیشرفته ترین و به روز ترین شبکه صنعتی اتوماسیون می باشد که بسیاری از نواقص مودباس و CAN Buss در آن مرتفع گردیده است و بزرگترین مزیت این شبکه دارابودن نرخ انتقال داده تا سرعت ۱۲ مگابیت در ثانیه می باشد.

به طور کلی از مدباس و CAN Bus برای ارتباط سنسورها و تجهیزات جانبی با PLC و از پروفی باس برای انتقال اطلاعات بین دو PLC یا انتقال اطلاعات حساس با سرعت بالا استفاده می شود.