پروتکل ارتباطی رایج در PLC ها ؛بخش اول

در این مقاله برآنیم تا در ابتدا مختصر تعریفی از Port و Protocol ارائه دهیم و تفاوت آن را بیان کنیم و در ادامه به انواع آن ها بپردازیم.

پورت و پروتکل در تجهیزات الکترونیکی

————————————————————————————–

در واقع می‌توان اینگونه بیان کرد ارتباطات دستگاه‌های الکترونیکی دارای دو وجه سخت افزار و نرم‌افزار است. در دنیای الکترونیک سخت افزار همان قطعات الکترونیکی (IC) هست اما این آیسی ها به تنهایی کافی نیستند. اینجاست که وجه نرم افزاری ارتباطات دیده می شود که مجموعه ای از قوانین و مقررات قراردادی برای بسته های داده انتقالی است :

• چه نوع داده (Data) می‌تواند منتقل شود
• چه دستوراتی برای ارسال و دریافت دیتا استفاده شود (Syntax)
• به چه نحوی داده ها منتقل می شوند

در این مقاله Port همان وجه سخت افزاری ارتباطات بین دستگاه هاست مثل پورت سریال، پورت usb و یا پورت Ethernet که در عموم دستگاه های صنعتی رایج است. Protocol وجه نرم افزاری ارتباطات است بر بستر این پورت ها پیاده سازی می شوند.

نکته قابل توجه اینکه برخی از پروتکل های ارتباطی متفاوت دارای پورت (بستر سخت افزاری) یکسان هستند.

آنالوگی یا دیجیتالی

—————————————————

ارتباطات تجهیزات الکترونیکی با یک دیگر و یا با کامپیوتر ها و PLC ها را می توان به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد :

1- ارتباطات دیجیتالی

2- ارتباطات آنالوگی

در ارتباطات از نوع دیجیتال بروز خطا و یا تغییر در داده انتقالی به ندرت اتفاق می افتد و از این نگاه استفاده از آن راحت تر و قابل فهم تر برای کاربر انسانی می باشد. در ارتباطات آنالوگی اما محدودیت مسافت برای ایجاد ارتباط نداریم و نویزپذیری به شدت کاهش می یابد ولی در تبدیل داده ها و قابل فهم کردن مقادیر امکان بروز خطا وجود دارد. در صنعت ارتباطت آنالوگ بسیار رایج هست و در دستگاه های مختلف استفاده می شود.

در ادامه با اشاره به این دسته بندی، درگاه های ارتباطی را یک به یک بررسی می کنیم.

الف) درگاه های ارتباط دیجیتالی

——————————————————————

1- پورت RS232 و پروتکل سریال :

پورت RS232 از محبوب ترین و رایج ترین رابط و همچنین یکی از اولین پورت های مورد استفاده در کامپیوتر است. اکثرا پورت RS232 پورت سریال خوانده می شود اما این ممکن است باعث سردرگمی شود زیرا دیگر رابط های سریال نیز موجود است. RS-232 به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد، چون به راحتی در دسترس است. شما معمولا نیازی به خرید یک پورت RS232 ندارید چون در عمده  دستگاه های الکترونیکی دارای پورت ارتباطی معمولا موجود است.

RS232-Framing Protocol

RS232 Port

با این حال، معایبی هم دارد از جمله محدودیت در طول کابل مورد استفاده که بیشتر از 10-15 متر جواب نمی دهد و همچنین Not Multi-drop یعنی قابلیت شبکه شدن ندارد و تنها می توان یک دستگاه را به هر پورت وصل کرد.

2- پورت RS422 و پروتکل مدباس :

RS422 شبیه به RS232 است و می تواند به همان شیوه برنامه ریزی شود، با این تفاوت که مزایا و معایبی متفاوتی را ارائه می دهد. این پروتکل آنچنان رایج نیست و معدود دستگاه هایی را خواهید یافت که این پورت را پشتیبانی کند. به عنوان مثال هیچ کامپیوتری این پورت را پشتیبانی نمی کند. همچنین این پورت 4 سیمه و دوطرفه می باشد. ازطرف دیگر، بر خلاف RS232 ، پورت RS422 قابلیت شبکه شدن را دارد و طول کابل حدود 150 متر را جواب می دهد.

 3- پورت RS485 و پروتکل  مدباس (Modbus-RTU) :

در سال 1979 توسط مادیکن (Modicon) برای استفاده در PLC ها منتشر و در نهایت به طور غیر رسمی، تبدیل به پروتکل ارتباطی استانداردی برای اتصال دستگاه های الکترونیکی صنعتی شد. در حال حاضر شرکت مادیکن متعلق به اشنایدر الکتریک (Schneider Electric) است. از همین بابت عمده PLC ها در کنار پورت RS232 از پروتکل ModbusRTU در بستر RS485 نیز پشتیبانی می کند.

از مزایای این درگاه نسبت به درگاه های قبلی می توان موارد زیر را اشاره کرد ؛

• قابلیت شبکه کردن چندین دستگاه در یک شبکه (Multi-Drop)
• سیم کشی آسان تر زیرا تنها از 2 سیم برای انتقال داده (A , B) به جای 4 سیم (RS422) استفاده می شود
• قابلیت افزایش  طول شبکه تا 500 متر
• دارای CRC (خطایابی) در هر بسته داده انتقالی
• نویزپذیری بسیار کم

4- پورت Ethernet و پروتکل مدباس (Modbus-TCP) :

از دهه ۱۹۹۰ میلادی تا کنون LAN یا Local Area Network از رایج ترین روش های ارتباط کامپیوترها به شمار می آید که شبکه ای از کامپیوترها بوده است که می تواند یک منطقه کوچک را تحت پوشش قرار دهد. اترنت درگاهی است که هدف آن ایجاد ارتباط کامپیوترها در یک LAN می باشد و قادر است ارتباط در دستگاه ها را با یک پروتکل با عنوان یک زبان مشترک برقرار کند. از مزایای آن عبارتند از :

* رایج ترین شبکه در دفاتر و ساختمان های تجاری

* قابلیت توسعه آسان

* قابلیت نظارت و کنترل تجهیزات متصل شده به شبکه از طریق اینترنت

* تاخیر پایین، عملکرد به صورت در لحظه (Real Time)

5- پروتکل ProfiBus :

PROFIBUS (Process Field Bus) یک فیلدباس است که برای ارتباطات چرخه ای با سرعت بالا در دنیای اتوماسیون استفاده می شود. PROFIBUS دو کاربرد متفاوت دارد:  1- اتوماسیون کارخانه   2- اتوماسیون فرآیند

و برای هر کدام PROFIBUS می تواند از پروتکل متفاوتی استفاده کند. PROFIBUS DP (دستگاه‌های جانبی غیرمتمرکز) نسخه پرسرعتی است که بیشتر برای اتوماسیون کارخانه (یعنی لجستیک، مناطق تولید و غیره) استفاده می‌شود.

PROFIBUS PA (اتوماسیون فرآیند) بیشتر در صنایعی مانند تصفیه آب، نفت، گاز، مواد شیمیایی و غیره استفاده می شود.

PROFIBUS PA با سرعت انتقال ثابت 31.25 کیلوبیت بر ثانیه اجرا می شود، جایی که PROFIBUS DP را می توان برای اجرا با حداکثر سرعت 12 مگابیت در ثانیه پیکربندی کرد. ارتباط PROFIBUS نیمه دوبلکس (Half-Duplex)  است، به این معنی که در یک زمان فقط یک دستگاه در حال ارتباط است. PROFIBUS DP بر اساس پروتکل RS485 و PROFIBUS PA بر اساس پروتکل MBP-IS است پیاده می شود.

شبکه‌های PROFIBUS DP معمولاً به‌عنوان یک زنجیره بزرگ نصب می‌شوند و یک شبکه حساس به خطا ایجاد می‌کنند. PROFIBUS PA را می توان به صورت زنجیره ای یا به عنوان توپولوژی ستاره سیم بندی کرد، اما با استفاده از جعبه های اتصال هوشمند/پیشرفته، PROFIBUS PA می تواند به عنوان توپولوژی حلقه نیز نصب شود.

پروفی‌باس بر مبنای تکنولوژی ارتباط سریال RS-485 طراحی شده است و این روزها تقریبا همه چیز را می توان به شبکه پروفی باس متصل کرد مثل انواع PLC ها ،HMI/SCADA ، سنسور ها، درایو ها، سروور ها و حتی تجهیزات HART نیز قادر به اتصال به شبکه پروفی باس هستند. دلیل اصلی استقبال از روش ارتباط Profibus در صنایع مختلف، کاهش قابل توجه حجم وایرینگ برای اتصال انواع تجهیزات فیلد به سیستم کنترل بوده است.

6- پورت Ethernet و پروتکل ProfiNET :

PROFINET یک سیستم فیلدباس است که مبتنی بر اترنت است. PROFINET یکی از بسیاری از سیستم های اترنت صنعتی موجود است که اغلب با PROFIBUS مقایسه می شود.

شبکه پروفینت یک شبکه جدید و در حال گسترش است، که قابلیت های شبکه پروفی باس و اترنت را از نظر امنیت و سرعت دارد. این شبکه  از طریق IP به دستگاه های صنعتی متصل می شود و تمام PLC را تحت پوشش قرار می دهدو از لحاظ سرعت و تعداد اتصال دستگاه ها هیچ محدودیتی ندارد.

PROFINET یک سیستم تمام دوبلکس (Full-Duplex) است. شبکه‌های PROFINET اغلب به‌عنوان توپولوژی ستاره‌ای یا چندین ستاره که با استفاده از سوئیچ‌های مدیریت‌شده PROFINET از یک ستون فقرات حلقه بزرگ منشعب می‌شوند، طراحی می‌شوند. از آنجایی که PROFINET مبتنی بر اترنت است، می تواند با سرعت انتقال بسیار بالاتری نسبت به PROFIBUS کار کند.

با PROFINET، زمان چرخه نیز برای هر دستگاه قابل تنظیم است، در حالی که PROFIBUS یک زمان چرخه ثابت دارد. PROFINET در صنایع مختلفی مانند خودروسازی، نفت و گاز، لجستیک و غیره کاربرد دارد.

شبکه استاندارد پروفینت مانند شبکه پروفی باس ارتباط بین تمام  PLC، PAC، DCS، سیستم های مجهز به انواع سنسورها، محرک‌ها، ربات‌ها، تگ‌ها و غیره را ایجاد می کند. این شبکه با استفاده از فناوری IO هزینه های نصب و راه اندازی را با مصرف کابل کمتر کاهش داده و انعطاف پذیری بیشتری را ایجاد می کند. در شبکه پروفینت گزینه های مختلف مانند درخت، حلقه، خط و ستاره تدوین شده است. در پروفینت به راحتی با استفاده از اترنت می توان در هر ثانیه  ۱۰۰ مگابیت داده را انتقال داد.

نکته : PROFIBUS هنوز هم معمولاً در سراسر جهان استفاده می شود. با این حال، ما متوجه می شویم که امروزه شرکت های بیشتری (به ویژه شرکت های لجستیک) به طور فزاینده ای به سمت سیستم های PROFINET روی می آورند.

ب) درگاه های ارتباط آنالوگی

————————————————————

1- سیگنال جریان 4-20 میلی آمپر:

سیگنال جریان ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر در خیلی از صنایع از جمله در ورودی و خروجی های plc ها کاربرد دارد. در این حالت بدون افت جریان، از فرستنده به گیرنده ارسال می‌شود.

جریان تأمین شده از منبع تغذیه از طریق سیم به فرستنده جریان می یابد. فرستنده جریان، جریان را تنظیم می کند. فرستنده فقط اجازه می دهد تا جریان متناسب با پارامتر اندازه گیری شده جریان داشته باشد که جریان حلقه نامیده می شود. جریان از طریق سیم به کنترل کننده برمی گردد. جریان حلقه از طریق گیرنده به زمین منتقل می شود و به منبع تغذیه برمی گردد. جریان عبوری از گیرنده ولتاژی تولید می کند که به راحتی با ورودی آنالوگ اندازه گیری می شود. برای یک مقاومت 250Ω ، ولتاژ 1 VDC در 4 میلی آمپر و 5VDC در 20 میلی آمپر خواهد بود.  

در این نوع سیگنال، با افت مقدار سیگنال جریانی به کمتر از ۳٫۸ میلی‌آمپر، قطعی سیم تشخیص داده شده و با بالاتر رفتن سیگنال از ۲۰٫۵ میلی‌آمپر، اتصال کوتاه در سنسور به دلیل عدم افت ولتاژ در مسافت های طولانی بین فرستنده و گیرنده ( مثلا پی ال سی و سنسور های ابزار دقیق ) از این سیگنال استفاده می شود. همچنین نویز پذیری پایین از جمله ویژگی های شاخص این نوع سیگنال می باشد.

2- سیگنال ولتاژ 0-10 ولت :

در صنعت در کنار سیگنال جریان 4-20 میلی آمپر از سیگنال 0-10 ولت نیز استفاده می شود. در بسیاری از تجهیزات صنعتی مانند اینورتر ها و ترانسمیتر ها و ترانسدیوسر ها تنها از این نوع سیگنال استفاده می شود.

به دلیل افت ولتاژ سیگنال 0-10 ولت به نسبت 4-20 میلی آمپر مسافت کوتاه تری را پوشش می دهد بنابراین از این سیگنال در مواردی که فاصله بین فرستنده و گیرنده کمتر از 10 متر می باشد، استفاده می شود مانند زمانی که سیگنال های ورودی از سنسور به PLC فرستاده می شوند، بر اساس میزان جریان یا ولتاژ رسیده از سنسور ها میزان کارکرد سنسور ها را تشخیص می دهد که اگر این مقدار صفر باشد یعنی سنسور مقدار خیلی پایینی را نشان می دهد و اگر 10 باشد میزان تشخیص سنسور حداکثر مقدار است، همینطور در ارسال سیگنال های خروجی دیجیتال به صورت خاموش یا روشن شدن عمل میکند مثلا در ارسال به اینورتر ها یا ارسال دستور به پی ال سی، فن ها وسایر تجهیزاتی که متصل به دستگاه هستند باعث خاموش یا روشن شدن آن تجهیز می شود.