راهنمای جامع PROFIBUS DP و PA: ساختار شبکه، کابل و ترمینیشن
PROFIBUS یکی از پرکاربردترین فیلدباس‌های جهان است و هنوز در بسیاری از کارخانه‌های فولاد، سیمان، پتروشیمی و آب و فاضلاب کار میکند. نام PROFIBUS معمولاً به دو شبکهٔ متفاوت اشاره دارد: PROFIBUS DP برای اتوماسیون کارخانه و PROFIBUS PA برای ابزار دقیق فرایندی. این دو پروتکل مشترکی دارند، اما لایهٔ فیزیکی، کابل‌کشی و قواعد اجرایی آن‌ها کاملاً متفاوت است. در این مقاله ساختار هر دو شبکه و نکات اجرایی که بیشترین خطا را در عمل ایجاد می‌کنند بررسی می‌کنیم.
PROFIBUS چیست؟
PROFIBUS (Process Field Bus) در اواخر دههٔ ۱۹۸۰ در آلمان توسعه یافت و امروز در استانداردهای IEC 61158 و IEC 61784 تعریف شده است. نگهداری و توسعهٔ آن بر عهدهٔ سازمان PROFIBUS & PROFINET International (PI) است. دستگاه‌های PROFIBUS پیش از عرضه در آزمایشگاه‌های تأییدشده آزمون انطباق می‌گیرند و همین موضوع، سازگاری تجهیزات سازندگان مختلف را تضمین میکند.
PROFIBUS یک پروتکل Master/Slave با امکان چند Master است. Masterها با گردش توکن (Token Passing) نوبت دسترسی به باس را بین خود تقسیم می‌کنند و هر Master در زمان در اختیار داشتن توکن، با Slaveهای خود دادهٔ ورودی و خروجی را به‌صورت چرخه‌ای مبادله میکند.
Master کلاس ۱ (DPM1)
PLC یا کنترلری که در هر چرخه دادهٔ ورودی و خروجی Slaveها را مبادله میکند و مالک پیکربندی آن‌هاست.
Master کلاس ۲ (DPM2)
ایستگاه مهندسی یا ابزار تشخیص عیب که برای راه‌اندازی، خواندن پارامترها و عیب‌یابی به شبکه وصل میشود.
PROFIBUS DP: سرعت، کابل و طول شبکه
PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) روی لایهٔ فیزیکی RS-485 کار میکند؛ همان لایه‌ای که در مقالهٔ RS-485 در عمل بررسی کردیم. با این حال، استاندارد PROFIBUS برای کابل، کانکتور و ترمینیشن الزامات سخت‌گیرانه‌تری دارد، چون سرعت آن تا ۱۲ مگابیت بر ثانیه می‌رسد.
| سرعت انتقال | حداکثر طول سگمنت با کابل Type A |
|---|---|
| ۹٫۶ تا ۹۳٫۷۵ کیلوبیت بر ثانیه | ۱۲۰۰ متر |
| ۱۸۷٫۵ کیلوبیت بر ثانیه | ۱۰۰۰ متر |
| ۵۰۰ کیلوبیت بر ثانیه | ۴۰۰ متر |
| ۱٫۵ مگابیت بر ثانیه | ۲۰۰ متر |
| ۳ تا ۱۲ مگابیت بر ثانیه | ۱۰۰ متر |
- کابل Type A: کابل استاندارد PROFIBUS معمولاً با روکش بنفش، امپدانس مشخصهٔ ۱۳۵ تا ۱۶۵ اهم و یک زوج سیم قرمز (B) و سبز (A) عرضه میشود.
- تعداد ایستگاه: حداکثر ۳۲ ایستگاه در هر سگمنت، شامل ریپیتر. برای ایستگاه‌های بیشتر یا طول بیشتر از ریپیتر استفاده کنید.
- آدرس‌دهی: هر ایستگاه یک آدرس یکتا بین ۰ و ۱۲۵ دارد. آدرس ۱۲۶ پیش‌فرض دستگاه‌های تنظیم‌نشده و آدرس ۱۲۷ برای پیام همگانی رزرو است.
- انشعاب: در سرعتهای بالاتر از ۱٫۵ مگابیت بر ثانیه، انشعاب (Stub) مجاز نیست و کابل باید مستقیم وارد کانکتور هر ایستگاه شود و از آن خارج شود.
ترمینیشن فعال و کانکتور PROFIBUS
برخلاف Modbus RTU که معمولاً یک مقاومت ۱۲۰ اهم ساده در دو انتهای شبکه دارد، PROFIBUS DP از ترمینیشن فعال استفاده میکند. این شبکهٔ مقاومتی هم امپدانس خط را تطبیق می‌دهد و هم وظیفهٔ بایاس را انجام می‌دهد تا خط در حالت بیکاری وضعیت منطقی مشخصی داشته باشد. در کانکتور ۹ پین استاندارد، پین ۳ سیم B، پین ۸ سیم A، پین ۶ ولتاژ ۵ ولت و پین ۵ زمین دیجیتال است.
- کلید ترمینیشن را فقط در اولین و آخرین ایستگاه فیزیکی سگمنت روشن کنید.
- در بیشتر کانکتورها، روشن شدن کلید ادامهٔ کابل را قطع میکند. اگر ایستگاه‌های بعد از یک کانکتور دیده نمی‌شوند، اول کلید آن کانکتور را بررسی کنید.
- ترمینیشن فعال ولتاژ ۵ ولت را از خود ایستگاه می‌گیرد. اگر ایستگاه انتهایی خاموش شود یا از کانکتور جدا شود، ترمینیشن از کار می‌افتد و کل سگمنت ممکن است مختل شود. در چنین مواردی از ترمینیتور فعال مستقل با تغذیهٔ جداگانه استفاده کنید.
- شیلد کابل را در هر دو سر و در کانکتورها به زمین هم‌پتانسیل وصل کنید. شرط این کار، وجود سیستم هم‌بندی مناسب بین تابلوهاست تا جریان زمین از شیلد عبور نکند.
PROFIBUS PA: ابزار دقیق فرایندی روی دو سیم
PROFIBUS PA (Process Automation) برای ترانسمیترهای فشار، دما، سطح، فلو و پوزیشنرهای شیر طراحی شده است. لایهٔ فیزیکی آن MBP (Manchester Coded, Bus Powered) طبق IEC 61158-2 است: داده با کدگذاری منچستر و سرعت ثابت ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه روی همان دو سیمی منتقل میشود که تغذیهٔ دستگاه‌ها را تأمین میکند.
- تغذیه و داده روی یک زوج سیم، مانند حلقهٔ ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر
- امکان اجرای ذاتاً ایمن در نواحی خطرناک با مدل FISCO
- طول ترانک تا حدود ۱۹۰۰ متر در اجرای غیر Ex
- چند متغیر فرایندی و وضعیت هر دستگاه در قالب دیجیتال
سگمنت PA با یک کوپلر DP/PA یا DP/PA Link به شبکهٔ DP وصل میشود. کوپلر سیگنال RS-485 را به MBP تبدیل میکند و جریان تغذیهٔ سگمنت را تأمین و محدود میکند. تعداد دستگاه‌های هر سگمنت PA به جریان مصرفی آن‌ها و توان کوپلر بستگی دارد؛ در اجرای ذاتاً ایمن این تعداد معمولاً کمتر است. ترمینیتور PA یک مدار RC (حدود ۱۰۰ اهم و ۱ میکروفاراد) است که در دو انتهای ترانک قرار می‌گیرد.
| ویژگی | PROFIBUS DP | PROFIBUS PA |
|---|---|---|
| لایهٔ فیزیکی | RS-485 | MBP (IEC 61158-2) |
| سرعت | ۹٫۶ کیلوبیت تا ۱۲ مگابیت بر ثانیه | ثابت ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه |
| تغذیهٔ دستگاه | جداگانه | از روی باس |
| ناحیهٔ خطرناک | محدود (RS-485 IS) | ذاتاً ایمن با FISCO |
| ترمینیشن | شبکهٔ فعال ۳۹۰/۲۲۰/۳۹۰ اهم | مدار RC در دو انتهای ترانک |
| کاربرد اصلی | Remote I/O، درایو، ترمینال شیر | ترانسمیتر و پوزیشنر فرایندی |
نسخه‌های DP-V0، DP-V1 و DP-V2 و فایل GSD
- DP-V0: تبادل دادهٔ چرخه‌ای، تشخیص عیب پایه و پیکربندی. بیشتر Remote I/Oها در همین سطح کار می‌کنند.
- DP-V1: افزودن ارتباط غیرچرخه‌ای برای خواندن و نوشتن پارامترها و مدیریت آلارم. PROFIBUS PA بر همین قابلیت تکیه دارد.
- DP-V2: قابلیت‌های پیشرفته مانند ارتباط مستقیم Slave با Slave، همگام‌سازی زمانی و حالت Isochronous برای کنترل حرکت.
هر Slave یک فایل GSD (General Station Description) دارد. این فایل متنی را سازنده ارائه میکند و در نرمافزار پیکربندی PLC وارد میشود. شمارهٔ شناسایی (Ident Number) داخل GSD باید با دستگاه واقعی یکسان باشد؛ در غیر این صورت Master ایستگاه را در وضعیت خطای پیکربندی نگه می‌دارد.
چک‌لیست عیب‌یابی شبکهٔ PROFIBUS
| نشانه | علت محتمل | اقدام |
|---|---|---|
| ایستگاه‌های انتهای خط دیده نمی‌شوند | کلید ترمینیشن یک کانکتور میانی روشن است | کلید همهٔ کانکتورهای میانی را خاموش کنید |
| خطای پراکنده در سرعتهای بالا | طول بیش از مجاز، انشعاب یا کابل غیراستاندارد | سرعت را کاهش دهید یا ریپیتر اضافه کنید |
| با خاموش شدن یک دستگاه کل شبکه مختل میشود | ترمینیشن انتهایی از همان دستگاه تغذیه می‌گیرد | از ترمینیتور فعال مستقل استفاده کنید |
| ایستگاه در شبکه هست ولی تبادل داده ندارد | عدم تطابق GSD یا ماژول‌های پیکربندی‌شده | پیکربندی PLC را با دستگاه واقعی مقایسه کنید |
| دستگاه PA با روشن شدن دستگاه جدید قطع میشود | جریان سگمنت از ظرفیت کوپلر بیشتر شده است | بودجهٔ جریان سگمنت را دوباره محاسبه کنید |
برای مسیرهای طولانی بین تابلوها، اختلاف پتانسیل زمین هم می‌تواند خطای ارتباطی ایجاد کند. مبانی این پدیده را در مقالهٔ حلقهٔ زمین و ایزولاسیون گالوانیکی توضیح داده‌ایم.
ماژول‌های RS-485 دلیجه ارتباط پویا
ماژول‌های دلیجه ارتباط پویا از پروتکل Modbus RTU روی RS-485 ایزوله استفاده می‌کنند. در سیستم‌هایی که شبکهٔ اصلی PROFIBUS است، این ماژولها از طریق گیت‌وی Modbus RTU به PROFIBUS DP به PLC وصل می‌شوند. برای مقایسهٔ دقیق این دو پروتکل، مقالهٔ مقایسهٔ PROFIBUS DP و Modbus RTU را ببینید.
DEP-8I12-MB
ماژول ۸ کاناله ۴–۲۰ mA به Modbus RTU
- RS-485 ایزوله
- ESD ±۱۵ kV
- LED وضعیت ارتباط
DEP-3PT100-MB
ماژول ۳ کاناله RTD به Modbus RTU
- RS-485 ایزوله
- ESD ±۱۵ kV
- ایزولاسیون ۵ طرفه
DEP-4TCU-MB
ماژول ۴ کاناله ترموکوپل به Modbus RTU
- RS-485 ایزوله
- ESD ±۱۵ kV
- ایزولاسیون ۶ طرفه
پرسش‌های متداول
تفاوت PROFIBUS DP و PROFIBUS PA چیست؟
PROFIBUS DP روی RS-485 با سرعت ۹٫۶ کیلوبیت تا ۱۲ مگابیت بر ثانیه کار میکند و برای I/O، درایو و تجهیزات اتوماسیون کارخانه به کار می‌رود. PROFIBUS PA روی لایهٔ فیزیکی MBP با سرعت ثابت ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه کار میکند، تغذیهٔ ابزار دقیق را از همان دو سیم تأمین میکند و برای نواحی خطرناک قابل اجرا به‌صورت ذاتاً ایمن است.
در هر سگمنت PROFIBUS DP چند ایستگاه میتوان نصب کرد؟
هر سگمنت RS-485 حداکثر ۳۲ ایستگاه، شامل ریپیترها، را پشتیبانی میکند. با ریپیتر میتوان سگمنت‌های بیشتری ساخت و کل شبکه تا ۱۲۶ آدرس دارد که آدرس‌های ۰ تا ۱۲۵ برای ایستگاه‌ها قابل استفاده است.
حداکثر طول کابل PROFIBUS DP چقدر است؟
با کابل Type A، طول هر سگمنت به سرعت بستگی دارد: تا ۹۳٫۷۵ کیلوبیت بر ثانیه حدود ۱۲۰۰ متر، در ۱۸۷٫۵ کیلوبیت ۱۰۰۰ متر، در ۵۰۰ کیلوبیت ۴۰۰ متر، در ۱٫۵ مگابیت ۲۰۰ متر و در ۳ تا ۱۲ مگابیت ۱۰۰ متر.
ترمینیشن در PROFIBUS DP چگونه انجام میشود؟
PROFIBUS DP از ترمینیشن فعال استفاده میکند: یک شبکهٔ ۳۹۰، ۲۲۰ و ۳۹۰ اهمی که از ولتاژ ۵ ولت ایستگاه تغذیه میشود. این شبکه داخل کانکتورهای استاندارد قرار دارد و فقط در اولین و آخرین ایستگاه هر سگمنت با کلید روشن میشود.
فایل GSD در PROFIBUS چه کاربردی دارد؟
فایل GSD مشخصات یک Slave را برای نرمافزار پیکربندی PLC توصیف میکند؛ از جمله سرعتهای پشتیبانیشده، ماژولها، طول دادهٔ ورودی و خروجی و پارامترها. بدون فایل GSD، Master نمیداند با دستگاه چگونه داده مبادله کند.
آیا میتوان از کابل معمولی RS-485 برای PROFIBUS DP استفاده کرد؟
توصیه نمیشود. کابل PROFIBUS Type A امپدانس مشخصهٔ ۱۳۵ تا ۱۶۵ اهم و ظرفیت خازنی کم دارد و طولهای مجاز استاندارد بر اساس همین کابل تعیین شدهاند. در سرعتهای بالا، کابل نامناسب باعث بازتاب و خطای ارتباطی میشود.
جمع‌بندی
PROFIBUS DP و PA دو چهرهٔ یک پروتکل‌اند: DP با سرعت بالا روی RS-485 برای I/O و درایوها، و PA با تغذیه از باس و قابلیت ذاتاً ایمن برای ابزار دقیق فرایندی. بیشتر مشکلات این شبکه‌ها از لایهٔ فیزیکی شروع میشود؛ کابل Type A، رعایت طول مجاز در هر سرعت، ترمینیشن فقط در دو انتها و بودجهٔ جریان درست در سگمنت PA، پایه‌های یک شبکهٔ پایدار هستند. اگر در حال طراحی سیستم جدید هستید، مسیر مهاجرت به PROFINET را هم در نظر بگیرید.