پروفی باس (PROFIBUS) و پروفی نت (PROFINET) چیست؟ پروتکلهای ارتباطی صنعتی

در این مقاله دو شبکه مهم صنعتی به نام های پروفی باس و پروفی نت معرفی و بررسی خواهند شد.

PROFIBUS پروفی باس چیست؟

پروفی باس یک شبکه دیجیتالی است که وظیفه برقراری ارتباط بین سنسورهای میدانی و سیستم کنترلی یا کنترل کننده‌ها را بر عهده دارد.

در زمان توسعه این شبکه ایده اولیه این بود که پروفی باس در صنایع اتوماسیون کارخانه‌ها و سپس در صنایع فرآوری، تولید و غیره پیاده‌سازی شود. در همان ابتدا، PROFIBUS FMSFieldbus Message System توسعه داده شد که پروتکل پیچیده‌ای بود و امروزه دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

پس از آن، روی ایجاد پروتکل PROFIBUS DPDecentralised Peripherals کار کردند و در سال 1998، PROFIBUS PAProcess Automation راه‌اندازی شد.

امروزه وقتی درباره پروفی باس صحبت می‌کنیم، PROFIBUS DP و PROFIBUS AP را در نظر گرفته‌ایم. علاوه بر آن، PROFINET مبتنی بر بستر ارتباطی اترنت توسعه یافت و در بسیاری از زمینه‌ها و کاربردهای مختلف پیاده‌سازی شد.

انواع پروفی باس Profibus چیست؟

همانطور که اشاره کردیم، دو نوع PROFIBUS DP و PROFIBUS AP را در بازار پیدا خواهید کرد. پس بیایید ببینیم که این دو مدل از پروفی باس چگونه کار می‌کنند و هر کدام در کدام کاربردها بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

PROFIBUS DP (پروفی باس نوع DP) چیست؟

شبکه PROFIBUS DP به عنوان یک راه‌ حل سریع بر پایه لایه فیزیکی RS-485 و استاندارد اروپایی EN-50170 توسعه یافت. لازم نیست لایه فیزیکی حتما مسی باشد، می‌توانید از شبکه بی‌سیم یا فیبر نوری استفاده کنید.

همانطور که پیشتر اشاره شد، DP در این شبکه مخفف عبارت Decentralized Periphery (پریفرال غیرمتمرکز) است. این عبارت به اتصالات ورودی/خروجی اشاره دارد که از ارتباطات سریال کاملا غیرمتمرکز با سرعت بالا، برای اتصال به کنترلر مرکزی استفاده می‌کند.

همچنین مرسوم است که گفته میشود پروتکل پروفی باس DP، بر پایه مدل OSIOSIOpen System Interconnection و بر اساس استاندارد ISO-7498 است که هر لایه پروتکل، وظایف مشخصی دارد.

شبکه PROFIBUS DP یک شبکه با چند دستگاه Master (مولتی مَستر) است. این بدین معنی است که دو یا چند Master در سیستم وجود دارند و یک توکن این حق و دسترسی را به یک دیوایس Master میدهد که با دیوایس‌های میدانی ارتباط برقرار کرده و حتی از طریق یک 0دیوایس Master دیگر این ارتباط را برقرار کند.

دو کلاس Master وجود دارد. Master Class 01 اطلاعات چرخشیCyclic Information را برای کنترل فرآیند ارسال می‌کند. Master Class 02 (که اختیاری است) اطلاعات غیر چرخشیAcyclic Information را منتقل می‌کند و برای تشخیص و عیب‌یابی، آلارم هشدار و پیکربندی دستگاه از آن استفاده می‌شود.

از نقطه نظر سرعت، این شبکه با سرعت 9.6 کیلوبیت بر ثانیه تا 12 مگابیت بر ثانیه، در سیستمی با طول بین 100 تا 1000 متر کار می‌کند.

نکته آخر اینکه شبکه‌های DP می‌توانند یک پروفایل ProfiSafe داشته باشند که امنیت شبکه را بالاتر خواهد برد. ProfiSafe یک لایه نرم افزاری اضافی است که امنیت عملکردی را در باس شبکه‌های پروفی باس مهیا می‌کند.

PROFIBUS PA (پروفی باس نوع PA) چیست؟

در ابتدا، پروتکل PROFIBUS PA به عنوان کامل کننده پروتکل ارتباطی HARTپروتکل ارتباطی HARTپروتکل HART یک پروتکل ارتباطی بر پایه درخواست-پاسخ است؛ به این معنی که در طول عملیات عادی، هر ارتباط با یک درخواست (یا فرمان) از سمت دستگاه ارتباطی میزبان آغاز می‌شود. میزبان عموماً یک کنترل توزیع شده، PLC یا ... است. توسعه داده شد. این پروتکل به کاربردهای میدانی و در شرایطی که ارتباط بین ابزار اندازه‌گیری و سیستم کنترلی مورد نیاز است اختصاص داده شده است.

این پروتکل از زوج سیم به هم تابیده برای هر دو بخش تغذیه و ارتباطی استفاده می‌کند. ساختار شبکه فیزیکی آن با IEC-61158-2 مطابقت دارد و سرعت داده در شبکه  31.25 کیلوبیت بر ثانیه است.

دستگاه‌های PROFIBUS PA مستقیماً به کنترلر متصل نیستند. این دستگاه‌ها، در شبکه PROFIBUS DP سریعتری قرار دارند و از طریق یک کوپلر یا رابط به کنترلر می‌رسند. کوپلر به عنوان یک رابط شبکه عمل می‌کند و توان باس را تامین می‌کند.

نکته جالب در مورد شبکه‌های PA این است که می‌توان آنها را ذاتا ایمن طراحی کرد. به این معنی که ابزارهای متصل به آن‌ها می‌توانند در مناطق خطرناک کار کنند.

به طور معمول، در مقایسه با یک شبکه مرسوم، دستگاههای کمتری در یک باس ذاتاً ایمن وجود دارند؛ اما این موضوع بستگی به عوامل متعددی دارد که تعداد بهینه دستگاهها را برای هر کدام تعیین میکند. از این عوامل بطور مثال میتوان به جریان مصرفی دستگاه، طول باس، نوع کابل و … اشاره کرد.

تفاوت پروفی باس PA و پروفی باس DP

در این بخش میخواهیم خیلی ساده‌تر به تفاوت این دو نوع پروتکل پروفی باس بپردازیم.

در تصویر زیر شمای یک کارخانه نشان داده شده است. در هر کارخانه یا واحد صنعتی عموماً دو ناحیه کلیدی وجود دارد:

• یک اتاق کنترل که چندین کامپیوتر صنعتی درون خود دارد؛
• و اصطلاحاً “کف کارخانه” که تعدادی سنسور در آن مشغول عملکرد هستند.

یکی از رایج‌ترین کامپیوترهای صنعتی که در اتاق کنترل مشاهده می‌کنید، کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) است.

وظیفه پی ال سی کنترل فرآیند تولید محصول نهایی در کارخانه است. PLC این کار را از طریق نظارت بر سنسورها انجام می‌دهد.

سنسورهایی که مقادیری نظیر فشار، دما و سطح را اندازه‌گیری می‌کنند، در هر نقطه از خط تولید در کف کارخانه وجود دارند. این سنسورها را میتوان در فاصله بسیار زیادی از اتاق کنترل قرار داد.

پروفی باس DP

حال چگونه میتوانیم مطمئن شویم که PLC میتواند با موفقیت تمام سنسورهای کارخانه را مانیتور کند؟

برای اینکار میتوانیم از کابل برای اتصال ورودی و خروجی هر PLC به طور مستقیم به هر سنسور استفاده کنیم؛ اما مشکلی در این روش وجود دارد!

اغلب فاصله زیادی میان اتاق کنترل که پی ال سی درون آن نصب شده است و کف کارخانه که سنسورها در آن هستند، وجود دارد.

با این شیوه عمل کردن، در نهایت تعداد زیادی کابل بین اتاق کنترل و محل سنسورها خواهید داشت که اصلا جالب نخواهد بود! نه تنها این شیوه گران است، بلکه چندان کارآمد هم نخواهد بود.

راه بهتر استفاده از پروفی باس نوع DP است.

اما علت در این است که پروفی باس DP این امکان را می‌دهد تا ورودی و خروجی‌های PLC را در کف کارخانه حرکت دهید و آنها را به سنسورها متصل کنید. می‌توانید I/Oها را به وسیله کابل RS-485 به PLC متصل کنید.

در این حالت می‌توانید از کابلهای کوتاهتر برای اتصال I/O به سنسورها استفاده کنید و سپس از یک کابل برای اتصال همان I/O به PLC در طرف دیگر استفاده کنید. این ستاپ بسیار ارزانتر و کارآمدتر است.

همانطور که پیش از این نیز اشاره کردیم، DP به معنی پریفرال غیرمتمرکز است. پیش از به وجود آمدن پروفی باس DP، ورودی خروجی I/Oها که به عنوان پریفرال نیز شناخته می‌شدند در یک اتاق کنترل متمرکز شده بودند.

اما با تغییر مکان آنها به کف کارخانه و نزدیک سنسورها، این I/Oها یا پریفرالها به صورت غیرمتمرکز درآمدند. نام DP هم از همین جا نشات می‌گیرد و به همین دلیل به این نوع پروفی باس، PROFIBUS-DP گفته می‌شود.

پروفی باس PA

کمی پس از اینکه PROFIBUS-DP توسعه داده شد، گروهی از مهندسان خلاق اتوماسیون، ایده‌ای ارائه کردند. آنها با این ایده شروع کردند:

” چه می‌شود اگر از شر کابلها خلاص شویم و بتوانیم این شبکه را کارآمدتر کنیم؟”

و اینطور بود که Profibus-PA اختراع شد. همانطور که اشاره شد، PA به معنی فرآیند اتوماسیون است. پروفی باس PA به شما اجازه میدهد که واحد I/O و همچنین کابلها را حذف کنید و آنها را با یک سگمنت کوپلر و یک کابل Profibus-PA تعویض کنید.

همچنین با این ستاپ جدید می‌توانید به جای اینکه سنسورها را یک به یک به I/O متصل کنید، می‌‎توانید همه آنها را به یک باس پروفی باس PA وصل کنید.

در طرف دیگر این باس، سگمنت کوپلر وظیفه تبدیل سیگنال Profibus-PA را به سیگنال Profibus-DP دارد. پس با استفاده از پروفی باس PA، می‌توانید ساختار شبکه‌ای اقتصادی‌تر و کارآمدتری داشته باشید.

چرا از سگمنت کوپلر استفاده میشود؟

ممکن است این سوال برای شما ایجاد شده باشد که اصلا چرا باید از سگمنت کوپلر استفاده کنیم؟ و چه نیازی به آن است؟ و این سوال هم پیش می‌آید که مگر نمیتوانیم Profibus-PA را مستقیما به PLC متصل کنیم؟

پاسخ این سوال خیر است اما چرا؟!
به این دلیل که PLC پورتی برای کار مستقیم با Profibus-PA ندارند. اما خبر خوب این است که اکثر PLCها دارای پورت سازگار با Profibus-DP هستند. پس با استفاده از سگمنت کوپلر یا هر مبدل دیگری، میتوانید در سیستم‌های قدیمی‌تر نیز از پروفی باس PA استفاده کنید.

با انجام اینکار در واقع Profibus-PA را قبل از مبدل خواهید داشت و Profibus-DP را پس از آن خواهید داشت.

PROFINET پروفی نت چیست؟

قبل از هر چیز، لازم است بگوییم که در این مقاله قرار نیست در مورد PROFINET به شکل عمیق بحث کنیم.

پروفی نت با این که توسط گروه هدف پروفی باس تعمیر و نگهداری می شود، اما باید بدانید که PROFINET پروتکلی متفاوت است. در ادامه فقط به موارد ضروری آن نگاهی می‌اندازیم.

می‌شود گفت پروفی نت، تکامل یافته پروتکل پروفی باس است؛ امروزه در صنعت، کاربران دوست دارند از پروتکل‌های مبتنی بر اترنت (IEEE 802.3) و مدل OSI استفاده کنند.

در حال حاضر می توانید بسیاری از سازندگان را به همراه ابزارهای میدانی که در حال استفاده از پروتکل بومی اترنت هستند، بیابید. مزیت دیگر پیاده‌سازی آن این است که این نوع پروتکل به راحتی پیاده‌سازی می‌شود. چرا که از یک مدل معروف با هزینه زیرساخت کم استفاده می‌کند. لطفاً به این موضوع فکر نکنید که پروفی نت یک پروتکل اترنت کاملا مبتنی بر پروفی باس است!
خیر، پروفی نت یک استاندارد مبتنی بر اترنت و تکامل یافته پروتکل پروفی باس است.

مزیت قابل توجه PROFINET همزیستی پنهان آن با TCP/IP است که مزایای قابل توجهی را به همراه خود می‌آورد. همه دستگاه‌ها به یک شبکه متصل هستند که در آن عمل کنترل، تشخیص و غیره انجام می‌شود.

این استاندارد به شبکه این اجازه را می‌دهد تا به روش‌های مختلف شکل گیرد. به عنوان مثال در چندین توپولوژی حلقه یا رینگ، خطی، درختی یا ستاره و غیره.

PROFINET با سرعت حداکثر 1000 مگابیت بر ثانیه کار می‌کند و طول کابل‌ها ممکن است تا 100 متر برسد. به دلیل عملکرد سریع، زمان پاسخگویی آن کمتر از 1 میلی ثانیه است.

تفاوت میان پروفی باس و پروفی نت چیست؟

هنگامی که درباره پروفی باس صحبت می‌کنیم، درباره یک پروتکل ارتباطی دیجیتالی سنتی و معروف صحبت می‌کنیم که در صنایع و کاربردهای مختلف و متنوع پیاده‌سازی شده است. این پروتکل مبتنی بر ارتباط سریال است و مزایای زیادی را برای صنعت به ارمغان آورده است.

اما پروفی نت پروتکلی مبتنی بر اترنت صنعتی است. بله، PROFINET از ارتباط سریع‌تر پشتیبانی می‌کند و همچنین پهنای باند بیشتری دارد. این بدان معناست که پیامی که در شبکه پروفی نت رد و بدل می شود می‌تواند حاوی اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به یک پیام در پروفی باس باشد.

در زیر جدولی از PROFIBUS International را می‌بینید که هر دو مورد را مقایسه می‌کند:

در نهایت میتوان گفت که پروفی نت یکی از بهترین راه حل های موجود است. با این حال برای اجرای بهترین پروتکل ارتباطی در محیط صنعتی یا کارخانه خود، باید الزامات و موارد مورد نیاز شما و شرایط فیزیکی بررسی دقیق شوند.

PROFIBUS و PROFINET International چیست؟

PROFINET International یک جامعه اتوماسیون بزرگ است که در نقاط مختلف جهان حضور دارد. آنها مسئول PROFIBUS و PROFINET، دو پروتکل ارتباطی مهم در بازار هستند.