پروفی باس یا Profibus چیست و چگونه کار می‌کند؟

پروفی باس (Profibus) پروتکلی است که در سال 1989 توسط BMBF یا همان وزارت آموزش و تحقیقات آلمان در راستای پیشرفت ارتباطات فیلدباس میدانی در فناوری اتوماسیون، رونمایی شد و مورد توجه و ارتقا قرار گرفت.

هدف اصلی از طراحی و ساخت پروفی باس‌ها برقراری پیوند میان سیستم‌های اتوماسیون و کنترلرها با انواع دستگاه‌های میدانی غیر متمرکز مشابه سنسورها، محرک‌ها، رمزگذارها و… است. در واقع Profibus تمامی این ارتباطات را تنها با استفاده از یک کابل واحد انجام می‌دهد. همین نکته‌ای است که تمامی صنایع را برای به کار گرفتن آن مشتاق نموده است. در ادامه این متن می‌توانید بیشتر با چگونگی عملکرد، نقاط ضعف و قوت و قابلیت‌های این محصول آشنا شوید.

پروفی باس چگونه کار می‌کند؟

برای درک شیوه کار پروفی باس نیاز است که به خوبی با اصطلاحات مربوط به پروتکل‌های اتوماسیون و انتقال دیتا آشنایی داشته باشید. درواقع آشنایی با این ابزار و جزئیات آن در دستور کار طراحان و مهندسان صنعتی قرار می‌گیرد. به بیان ساده باید گفت پروفی باس نوعی از پروتکل Master/ Slave است. این ویژگی آن را تا حد زیادی شبیه به Masterbus می‌کند. مسئله‌ای که میان این دو آیتم تفاوت ایجاد می‌کند، وجود یک پروتکل حلقه توکن اضافی در پروفی باس است که به آن قابلیت استفاده از چند Master را می‌دهد. نکته دیگری که باعث ایجاد تفاوت می‌شود، پروسه‌ای است که همه دستگاه‌ها با پروفی باس بایستی به هنگام راه اندازی طی کنند تا بتوانند به شبکه اضافه شوند.

برای هر Slave یک تایمر failsafe در نظر گرفته شده است. در صورتی که Master طی تایمر مشخص شده با آن صحبت نکند آنگاه است که حالت امن برای Slave فعال می‌شود. پروفی باس به واسطه تایمر نگهبان در Master و همچنین تکرار پروسه راه اندازی پیش از وقوع تبادل اطلاعات؛ نسبت به اتفاق افتادن تمامی ارتباطات یک چرخه باس در مدت زمانی خاص اطمینان پیدا می‌کند.

با توجه به تصویر بالا که اسکنی از پروفی باس و ارتباطات ایجاد شده توسط آن است، سعی می‌کنیم شیوه عملکرد را توضیح دهیم.

1. در ابتدا Master A توکن را دریافت خواهد کرد. این مسئله باعث می‌شود تا مستر قابلیت کنترل باس را پیدا کند.
2. حال داده‌های مربوط به خود را با تمامی Slaveهای متصل مبادله خواهد نمود.
3. با اتمام تبادل دیتا، توکن دریافتی در مرحله (1) به Master بعدی انتقال داده خواهد شد.

این فرایند مدام بین انواع مسترها تکرار خواهد شد و بدین ترتیب تبادل اطلاعات صورت می‌گیرد. گفتنی است که (نیاز به تشخیص دقیق) برای تمامی Slaveهای موجود در پروتکل ساخته شده است. این ویژگی باعث می‌شود تا در زمان تبادل اطلاعات، اسلیو بتواند به مستر اطلاع دهد که دارای قدرت تشخیص است تا در مدت زمان اسکن بعدی به عنوان باس شناسایی شود.

اجزاء شبکه پروفی باس

می‌توان پروفی باس را به بخش‌های بسیار کوچک و جزئی تقسیم نمود و در مورد آنها توضیح داد اما در اینجا ما قصد داریم تنها به 3 بخش اصلی تشکیل دهنده اشاره نموده و کمی شما را با آنها آشنا کنیم.

رسانه

شامل فیبر نوری یا کابل الکتریکی است که تاثیر مستقیمی بر روی ایمن بودن پروفی باس در برابر مداخلات الکترومغناطیسی است. ویژگی‌های مربوط به رسانه مسائلی مانند جنس فیبر نوری، نوع تأسیس شبکه (خطی- ستاره‌ای یا حلقه‌ای)، ایستگاه‌های فعال، فاصله استاندارد میان ایستگاه‌ها و مواردی از این دست را پوشش می‌دهد.

پایانه RS485

این بخش شرایط اتصال یک عنصر به پروفی باس و به دنبال آن امکان برقراری ارتباط با آن را فراهم می‌آورد.

تکرار کننده RS485

تکرار کننده درون خود کلیدی برای انتخاب سرعت جای داده است. به طور کلی این بخش در موقعیت‌هایی مانند اتصال میان دو پروفی باس، اتصال میان دو MPI با حداکثر 32 ایستگاه استفاده می‌شود.

انواع کابل پروفی باس

با توجه به حوزه مورد استفاده از این نوع کابل و قابلیت‌ها و ویژگی‌هایی که انتظار می‌رود، سه نوع متفاوت طراحی و تولید شده است. این سه نوع نه تنها از نظر کارایی و پاسخ‌دهی به نیازها متفاوتند بلکه از نظر ویژگی‌ها و قابلیت‌ها نیز منحصر به فرد هستند. در ادامه به تفضیل این سه نوع را نام برده و معرفی کرده‌ایم.

شبکه پروفی باس دی پی (Profibus DP)

این مدل از پروفی باس‌های موجود برای ایجاد روابط اصطلاحا (نیم دو طرفه) مورد استفاده واقع می‌شوند. منظور از ارتباط نیم دو طرفه، وصل بودن هم زمان چندین دستگاه به یک باس و فرستنده بودن تنها یک ایستگاه است. برای توضیح بیشتر می‌توان اینطور گفت که Profibus DP با استفاده از سنسورها و عملگرهایی که به شکل غیر متمرکز نصب شده‌اند؛ دیتاهای زیادی را دریافت می‌کند. این دیتاها گردآوری شده و سپس تمامی آنها را به کمک یک کابل دو رشته‌ای به اتاق کنترل منتقل خواهند شد.

این نوع از کابل‌های پروفی باس اطلاعات را به شکل دیجیتال انتقال می‌دهند از این رو انتخاب مناسبی برای استفاده در محیط‌های پر نویز مانند کارخانه‌ها و فضاهای صنعتی هستند. از آنجایی که انتقال اطلاعات در شبکه Profibus DP به کمک یک کابل واحد انجام می‌گیرد، در صورتی که نقصی در این کابل به وجود بیاید تمامی اطلاعات از بین خواهند رفت. این نکته تنها نقطه ضعف اساسی پروفی باس دی پی است.

حداقل سرعت: 9.6 کیلوبایت بر ثانیه

حداکثر سرعت: 12 مگابایت بر ثانیه

طول کابل در بالاترین سرعت: 100 متر

طول کابل در پایین‌ترین سرعت: تا 1200 متر

شبکه پروفی باس پی ای (Profibus PA)

از دیگر انواع رایج پروفی باس‌ها در صنعت می‌توان به Profibus PA اشاره کرد. اختصار PA نشان‌دهنده Process Automation به معنی اتوماسیون فرایند است. در این مدل، تجهیزاتی که به شبکه متصل شده‌اند به طور مستقیم از خط دیتا یا اطلاعات تغذیه می‌شوند از این رو ایمنی و امنیت استفاده از آن به شکل قابل توجهی بالا خواهد رفت. Profibus PA به نوعی نسخه‌ای تکمیل شده و بهتر از نمونه Profibus DP است. در این نوع از پروفی باس شاهد حفظ همان فرمت انتقال دیتا در کنار بهبود محسوس دو شاخص کیفیت و امنیت هستیم. در صورت استفاده از نسخه PA پروفی باس‌ها، تأمین نیرو و انتقال دیتا برای شما به واسطه یک کابل واحد زوج سیم و هم زمان انجام خواهد گرفت.

حداکثر سرعت: 31.25 کیلوبایت بر ثانیه

حداکثر طول کابل مجاز: 1900 متر

شبکه پروفی باس اف ام اس (Profibus FMS)

پروفی باس Fieldbus Massage Specifiction که به اختصار Profibus FMS نامیده می‌شود، آخرین مدل رایج و محبوبی است که در این متن قصد معرفی آن را به شما داریم. باید گفت که این مدل نیز در مواردی مانند شیوه برقراری ارتباط با باس و نوع جابه جایی سیگنال کاملا شبیه به نوع Profibus DP است از این رو بدون هیچ مشکلی می‌توان هر دو نوع نامبرده شده را به شکل هم زمان در یک سیستم به کار گرفت. نکته ویژه عملکردی در خصوص FMS‌ها توانایی برقراری ارتباط میان کنترلرهای قابل برنامه ریزی و PLCها است. استفاده از این مدل در موقعیت‌هایی که نیاز به انتقال دیتاهای پیچیده، فعالیت‌های ارتباطی گسترده و تبادل حجم بالایی از دیتا باشد؛ رایج و کاربردی خواهد بود. در آخر خوب است این نکته را اضافه کنیم که Profibus FMS نمونه‌ای بسیار کارآمدتر از ورژن Profibus DP در عمل است.

لازم است طراحان و مهندسان با شناخت کافی از نیازهای سیستم صنعتی خود و بررسی ویژگی‌ها و قابلیت‌های هر یک از پروفی باس‌های موجود، بهترین انتخاب ممکن را داشته باشند.

آشنایی با وجوه عملکرد پروفی باس (PROFIBUS)

به طور کلی باید گفت که پروفی باس از تجهیزاتی است که به منظور انتقال اطلاعات آنالوگ و دیجیتال در شبکه‌های صنعتی و اتوماسیون‌ها مورد استفاده واقع می‌شود. تلاش متخصصان بر این است تا بتوانند این ابزار را جایگزین موارد مشابه قدیمی کنند. مشابه تمامی ابزارهایی که در موقعیت‌های گوناگون به کار گرفته می‌شوند، PROFIBUS نیز مزایا و معایب خاص خود را به همراه خواهد داشت. در ادامه کاربرد این محصول را از منظر نقاط ضعف و قوت بررسی خواهیم کرد.

مزایای پروفی باس:

• کاهش محسوس طول سیم‌کشی که نتیجه آن سهولت نصب، مهندسی و کاهش هزینه خواهد بود.
• امکان مونتاژ سریع و از همه مهم‌تر کاهش خطا در فرایندها
• با پروفی باس تنها به یک نیروی کار برای تکمیل راه اندازی نیاز خواهد بود. این محصول نیاز به نفر دوم برای یافتن و فعال کردن ابزار بررسی حلقه را از بین می‌برد.
• قابلیت کنترل انواع خطاهای ارتباطی از اتاق کنترل ایجاد می‌شود.
• دیگر نیازی به کالیبراسیون بین 4 تا 20 میلی آمپر نخواهد بود چرا که دستگاه دیجیتال قابلیت بررسی طیف وسیعی از مقادیر فرایند را داراست.
• مسئله پیکربندی تنظیمات با توجه به سایر پروتکل‌های معمولی بسیار ساده‌تر پیش خواهد رفت.
• اطلاعات تشخیصی در مورد تعمیر و نگهداری فقط با برنامه ریزی از پیش تعیین شده یا در مواقع خاص انجام می‌شود.
• دیگر نیازی به پیدا کردن یا یافتن ابزار خاص در کارخانه نخواهد بود.
• قابلیت خودآزمایی و عملکردهای اطلاحی دستگاه‌های زمینه در اختیار قرار می‌گیرد.
• کاهش نویزپذیری به واسطه استفاده از واسطه‌های انتقالی مشابه کابل TP رخ خواهد داد.
• دسترسی به پهنای باند مناسب با توجه به استفاده از روش‌های انتقال مناسب مانند RS485 ممکن می‌شود.
• امکان تبادل دیتای مطمئن، بدون هر گونه تداخل به لطف استفاده از روش دسترسی TOKEN PASS
• انعطاف پذیری بسیار بالا در خصوص توسعه سیستم چرا که در انحصار سازنده خاصی نیست و ساختاری Openدارد.

معایب استفاده از پروفی باس:

• سرعت PROFIBUS با محدودیت مواجه است و در بیشترین حالت ممکن می‌توان در محدوده Mbps از آن استفاده نمود.
• قیمت بالا برای تهیه کابل پروفی باس برای اغلب افراد مشکل ساز است.
• قیمت توسعه دهنده طول پروفی باس یا به اصطلاح حرفه‌ای‌تر Profibus distance extender نیز گزاف است.
• درصورتی که در Master خطا شود کل فرایند انتقال پیام نیز با اختلال مواجه خواهد شد. این مشکل به دلیل کار در مد Master/Slave به وجود می‌آید.

با توجه به تمامی بررسی‌هایی که در خصوص کیفیت و کاربرد  PROFIBUSانجام شده است، این محصول یک انتخاب درجه یک برای موقعیت‌هایی که نیازی به انتقال داده‌های حجیم نیست؛ شناخته می‌شود. اینطور تصور می‌شود که این ابزار تبدیل به یک بخش جدا نشدنی از آینده است که نقش بسزایی در آسان‌سازی کار طراحان دارد.

راز موفقیت سریع پروفی باس

ممکن است برایتان این سؤال به وجود بیاید که چرا با وجود قیمت بالای این محصول، شاهد رشد سریع و زودهنگام آن در دنیای اتوماسیون‌ها بوده‌ایم؟

در این خصوص باید گفت که مجموعه‌ای از ویژگی‌های عملکردی پروفی باس در کنار یکدیگر توانسته‌اند چنین نتیجه‌ای را خلق کنند به نوعی که حتی قیمت گزاف آن مورد توجه صاحبان کسب و کار قرار نگیرد. این ویژگی‌ها به شرح زیر خواهد بود:

سریع‌ترین باس میدانی

تا به این لحظه می‌توان ادعا کرد که PROFIBUS سریع‌ترین باس میدانی است که با کیفیت عملکردی تأیید شده، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این محصول با سرعت 12 مگابایت بر ثانیه کار می‌کند که در نوع خود به عنوان سریع‌ارین باس میدانی در زمینه اتوماسیون شناخته می‌شود.

تنظیمات دیفالت متنوع

مهم‌ترین ویژگی که باعث رشد و محبوبیت این چنینی پروفی باس شده، در اختیار داشتن مجموعه‌ای از راه حل‌های از پیش طراحی شده است. این قابلیت به افراد این امکان را می‌دهد تا متناسب با هر برنامه از یک راه حل از پیش تنظیم شده مناسب استفاده نمایند.

وجود این دو قابلیت در کنار سایر نقاط مثبت این محصول، رشد چشمگیر و گسترده پروفی باس را پدید آورده‌اند.

کلام پایانی

پروفی باس (Profibus) ابزاری است که توانسته انقلاب و تغییرات بزرگی را در زمینه اتوماسیون‌های صنعتی با خود به همراه بیاورد. اگر چه این محصول در دیگر کشورها به طور گسترده مورد استفاده واقع می‌شود اما همچنان در ایران کمتر استقبال شده است. تولید کنندگان تجهیزات صنعتی، طراحان و مهندسان در تلاشند تا با معرفی هر چه بیشتر پروفی باس آینده را به محیط کارخانه‌ها و فضاهای صنعتی بیاورند.