مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

مقدمه 

امروز کاربرد شبکه های صنعتی و اهمیت آنها در سیستم های اتوماسیون صنعتی بر کسی پوشیده نیست. اگر زمانی لازم بود که برای انتقال سیگنال های دیجیتال و آنالوگ تغذیه سیستم کنترل به سیستم کنترل دیگر به صورت سیم کشی مستقیم عمل شود و با کابل کشی بین کار های ورودی و خروجی بین دو سیستم تبادل اطلاعات برقرار شود. ( مدباس  modbus )

امروز با جایگزینی یک کابل دو رشته شبکه یا یک زوج فیبر نوری به جای تمام سیم کشی های مستقیم حجم زیادی از اطلاعات به سهولت بین دو یا چند سیستم رد و بدل می شود.

این جایگزینی در ارتباط بین سیستمهای کنترل و مانیتورینگ و سیستمهای کنترل نظارتی SCADA مخخف Supervisory Control And Data Acquisition به فور مشاهده می گردد شکل زیر نمونه این جایگزینی را برای سیستمهای اسپادا در پست های برق نشان می دهد. ( مدباس  modbus )

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

 در بین شبکه های صنعتی برخی از دیگران متداول تر و مرسوم تر هستند از جمله موارد زیر:

•   اترنت صنعتی
•  پروفی باس
•   مدباس
• F oundation Fieldbus
• ASI

شبکه  مدباس در این میان از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است.مود بازی اصلی ترین شبکه های صنعتی است که با وجود برخی کاستی ها به دلیل مزایای منحصر به فرد آن شبکه های پرسرعت مدرن هنوز نتوانستند آن را از میدان رقابت از کند و جای آن را به خود اختصاص دهند. ( مدباس  modbus )

از این رو در سیستم های اتوماسیون جدید که مجهز به مدرن ترین طراحی های DCS و PLC  هستند می‌بینیم که در موارد متعدد از مدباس برای انتقال دیتا های اصلی و مهم استفاده میشود

مودباس یک ارتباط سریال است که در سال ۱۹۷۹ توسط کمپانی Modicon  که امروزه Schneider Electric آن در بر گرفته است عرضه شد اما در زمان کوتاهی توسط چندین کمپانی کنترلی و ابزار دقیق دیگر مورد استفاده قرار گرفت و تبدیل به یک استاندارد بین المللی معتبر گردید. ( مدباس  modbus )

سالهاست که  مدباس به صورت یک پروتکل استاندارد بین المللی باز توسط سازندگان مختلف به کار گرفته می شود. مدباس توسط سازمان غیرانتفاعی Modbus IDA ساپورت می شود.  این سازمان متولی امور مربوط به استانداردهای مدباس است . 

یکی از عوامل موفقیت پروتکل مودباس  تنوع زیاد وسایل سازندگان مختلف مدباس است. این وسایل به سهولت با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند و کاربر را از وابستگی به سازنده خاص بی نیاز می سازند.  از دیگر عوامل موفقیت آمیز این پروتکل می توان به ساختار ساده اتصالات آن اشاره کرد. ( مدباس  modbus )

مدباس امکان استفاده در  توپولوژی مختلف (Ring , Star, Bus) را دارد. در لایه فیزیکی مدل عمدتاً از پروتکل های RS232, RS485 استفاده می شود که اگر چه محدودیت هایی دارند ولی جز مرسوم ترین و شناخته شده ترین لایه های فیزیکی شبکه می باشد.

 کاربرد اولیه مدباس برای تبادل دیتا بین PLC سیستم‌های DCS  اما با توجه به استاندارد شدن و فراگیر شدن آن تجهیزات ابزار دقیق و حتی تجهیزات و قدرت مانند وسیله های حفاظتی با پورت مدباس به بازار عرضه شد این امر باعث گردید در لایه فیزیکی نیز مورد استفاده قرار بگیرد.

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

 

پروتکل از اولیه مدباس RTU/ ASCIIاست که با استانداردهای RS232/RS422 /RS485 کار می کند. با پیشرفت روز افزون شبکه ها و نیز به سرعت بالاتر پروتکل دیگری به عنوان Modebus TCP/I P ارزش که تحت اترنت کار میکند این پروتکل قادر است با سرعت بالا و اطمینان دیتا هایی را روی شبکه جابجا کند یکی از کاربردهای این پروتکل در سطوح مانیتورینگ است.

  نسخه های مختلف پروتکل مدباس می توانند توسط واسطه های شبکه ی یکدیگر متصل شده و به صورت یکپارچه پیاده سازی شود

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

به این ترتیب دیده می شود که مدباس  امکان ارتباط بین بسیاری از تجهیزات فیلم را به کامپیوتر ها و کنترلر ها و سیستم های بزرگ نظیر SCADA  فراهم می سازد. این امر موجب شده تا کاربرد گسترده آن در صنایع مختلف نظیر نفت و گاز پتروشیمی فولاد ماشین سازی و غیره شاهد باشیم.( مدباس  modbus )

 جایگاه مدباس در هرم اتوماسیون صنعتی ( مدباس  modbus )

 قبل از پرداختن به جایگاه موجود باز بالا یا هایی که برای اتوماسیون صنعتی با هرم اتوماسیون تعریف می شود آشنا شویم.

 در سیستم های اتوماسیون صنعتی تجهیزات مختلف و متنوعی به کار می رود رود سنسورها و محرک ها وPLC وDCS  وHMI از جمله این تجهیزات هستند که بعضاً از طریق شبکه های صنعتی با یکدیگر ارتباط دارند.

 این تجهیزات دسته بندی شده و بر طبق عملکرد در لایه های مختلف قرار می گیرد. سنسورها و عملگرها در لایه فیلم و کنترلر ها در لایه موتور قرار میگیرد. این لایه ها یا سطوح را به ساختار هرمی شکل تشبیه می کنند که در آن تجهیزات به صورت دسته بندی شده هر کدام در یک سطح قرار می گیرند.

از آنجا که هر چقدر به سطح بالاتر نزدیک می شویم تعداد وسیله و تمرکز بیتا بیشتر می شود این ساختار به شکل هرم ترسیم می گردد.

پایین ترین سطح  را سطح Sensor/Actuator مینامند و همانطور که از نامش پیداست سطحی است که در آن وسایل فیلد قرار می گیرند در این سطح حجم اطلاعات کم ولی زمان دسترسی به اطلاعات بایستی کوتاه و در حد چند میلی ثانیه باشد. از این رو اگر شبکه ای در این سطح استفاده می شود بایستی بتواند دیتا را در زمان مناسبی جابجا کند تا مشکل در کار کنترل فرایند رخ ندهد و اگر در حالتی که دیتا غیر حساس و صرفاً جهت مانیتورینگ باشد.

 سطح بعدی که در بالای سطح فیلد قرار دارد سطح کنترل نامیده می شود در این سطح PLC سیستم‌هایDCS  که کار اصلی کنترل را برعهده دارند قرار می گیرند حجم دیتا در این سطح به دلیل ارتباط PLC سیستم‌های DCS بیش از سطح فیلد است بنابراین شبکه با سرعت بالا نیاز داریم زمان تبادل دیتا در این سطح نیز بایستی کوتاه باشد اگرچه حساسیت و اندازه سطح فیلد است

سطح Cell Level  سطحی است که عمدتاً برای مانیتورینگ استفاده می شود در این سطح دیتا های یک پلنت در کامپیوتر ها مانیتور می شود حجم دیتا در این سطح زیاد تر از دو سطح پایین تر است و نیاز به شبکه پر سرعت می باشد ولی حساسیت به زمان در اندازه سطوح پایین تر نیست.  به طوری که اگر در شرایطی دیتا با کمی تاخیر در یافت شود معمولاً مشکل حادی برای کنترل فرایند پیش نخواهد آمد.

 سطوح کنترل و مانیتورینگ را و از ان به عنوان لایه Cell  نیز نشان می دهند.

 سطوح بالاتری نیز وجود دارد که عمدتاً برای نظارت کلی فرآیند است و به سطوح Management   موسوم میباشد. ا های مربوط به سیستم های تولید و تعمیرات و امثال آنها در این سطح با سطوح پایین‌تر تبادل می‌شود در سطوح Management حجم دیتا خیلی زیاد و حساسیت پایین است یعنی تاخیر زمان در دریافت سیگنال ها به اندازه سطوح پایین تر حساس و مهم نیست. ( مدباس  modbus )

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

 

شکل بالا جایگاه مدباس  را در سطوح اتوماسیون نشان می دهد امروزه شبکه های موجود در سه سطح فیلد کنترل و مانیتورینگ استفاده می شود.

هرچند که جایگاه اصلی آن در سطح فیل برای ارتباط بین پی ال سی ها سیستم‌های DCS می باشد ولی به دلیل حمایت سازندگان تجهیزات ابزاردقیق و قدرت این تجهیزات دارای پورت مدباس  بوده و قابلیت استفاده در لایه فیلد را دارند.نسخه‌ای از مدباس از   نیز ز برای مانیتورینگ اطلاعات دریافتی   از  پی ال سی ها و DCS استفاده می شود.( مدباس  modbus )

 آشنایی با انواع پروتکل های مدباس ( مدباس  modbus )

 به طور کلی مدباس دارای سه نسخه اصلی است که دو نسخه آن به صورت پایه با یک استاندارد باز و یک نسخه آن به عنوان یک پروتکل انحصاری غیر باز طرح شده است این نسخه ها عبارتند از:

• Modbus RTU/ASCII
• Modbus TCP
• Modbus Plus(انحصاری)

پروتکل های مواد در شبکه صنعتی بسته به نوع شبکه می تواند به صورت تکی یا ترکیبی استفاده شوند شکل زیر نمونه ای از شبکه  مدباس که در آن هر سن و پروتکل به کار رفته را نشان میدهد.

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

 

این سه نسخه از لحاظ ویژگی و کاربرد آن در شبکه صنعتی با یکدیگر متفاوت هستند که در ادامه به اختصار و در فصل‌های بعد به تفصیل بیان می شود 

آشنایی با مدباس RTU/ACSII ( مدباس  modbus )

پرکاربرد ترین نسخه مدباس  میباشد که به عنوان پروتکل باز و استاندارد ارائه شده است.  این نسخه برای ارتباط سریال طراحی گردیده و در لایه فیزیکی آن از استاندارد RS232, RS422 ,RS485 استفاده می شود که جز مرسوم ترین و شناخته ترین استانداردهای لایه فیزیکی هستند. ( مدباس  modbus )

RTU/ASCII باس شبکه را به صورت رئیس   مرئوس (Master /Slave)  مدیریت می کند. مرد در این حالت روی باس فقط یک تجهیز به عنوان مستر اجازه صحبت کردن با گروه هایی است Slave را دارد. ( تعدادSlave  در بیشترین حالت ۲۴۷ میرسد)  این نوع مدیریت اطمینان قابل توجهی به این پروتکل می بخشد و آن را به صورت کاملاً Real Time  ارائه می نماید.

 در این نسخه از مدباس  از دو قالب مختلف RTU , ASCII  استفاده شده است. این دو همانطور که در ادامه خواهیم دید از نظر بستر فیزیکی یکسان هستند ولی از نظر فریم بندی دیتا متفاوت عمل می کند. در نوع ACSII  هفت بیت داده برای هر بایت تعریف می گردد و در ساختار قاب  قرار می‌گیرد و در RT U دامنه مجموعه کاراکتر ها از ۱۲۸ و ۲۵۶ افزایش یافته و گاه باعث میشود که انتقال داده بیشتری با حفظ همان سرعت انجام گیرد. جزئیات بیشتر را می توان در مقاله های بعدی مشاهده کنید.

 نسخه RTU/ASCII  از مدباس  کنترل هرم  اتوماسیون برای انتقال داده بین PLC  با PLC  یا DCS می‌توانند به کار میرود. همچنین در لایه فیلد برای ارتباط PLC  یا DCS  یا کامپیوتر با وسایل فیلم مانند رله های قدرت استفاده می شود.

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

 

شکل زیر کاربرد دیگری از مدباس RTU در لایه فیلم را نشان میدهد. در این ساختار وسایل Remote I/O  که به عنوان Node  مستقیم مدباس   تلقی می‌شوند وسایل بین ترانسمیتر و RTU Master هستند.

Remote I/O وسیله‌ای است که سیگنال های آنالوگ و دیجیتال معمولی را جمع‌آوری کرده و از طریق پروتکل شبکه به سیستم بالادست انتقال میدهد.

 استفاده از این طرح کاهش چشمگیر کابل کشی را به ویژه برای فواصل زیاد در پی دارد.

  واسطه‌ای Remote I/O  که در شکل بالا نشان داده شده را میتوان به صورت بدون سیم نیز به مستر  ارتباط داد. شکل زیر ارتباط بدون سیم بین Remote I/O مدباس نشان میدهد.

مدباس ( مقدماتی قسمت اول )

 

برای مطالعه در مورد انواع کابل های مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی کلیک کنید.