[ کنترلرهای صنعتی Fieldbus ]

[P O U R I A]

مقدمه:
در اوايل دهه 1960 ادوات وكنترلر هاي الكترونيكي جايگزين كنترلرهاي نيوماتيكي شدند كه از مزاياي اين كنترلر هامي توان سرعت و دقت زياد و كم حجم بودن آنها را نام برد. طولي نكشيد كه كامپيوترهاي ديجيتال كه قابليت پردازش لوپها ي كنترلي را داشتند، جايگزين كنترلرهاي الكترونيكي شدند. كامپيوتر مركزي پس از دريافت تمام متغير هاي پروسسي از طريق وروديها و دستورات صادره توسط اپراتور از طريق صفحه كليد ، آنها را طبق برنامه كنترلي از قبل نوشته شده پردازش و نتايج اين پردازش را از طريق خروجيها به محركهاي نهايي كنترل اعمال مي كنند. اين نوع كنترل اصطلاحا DDC (Direct Digital Control) ناميده مي شود و در آن اپراتور توسط يك صفحه كليد و يك نمايشگر VDU(Visual Display Unit) با سيستم ارتباط بر قرار مي كند. كامپيوتر مركزي قابليت پردازش حجم زيادي از متغير هاي زماني وپروسسي را دارد ولي با افزايش بيش از حد اين اطلاعات، سرعت و كارايي كامپيوتر پايين آمده و به كامپيوتري با ظرفيت و سرعت زياد نياز مي شد و اگر كامپيوتر مركزي از كار مي افتاد باعث از كار افتادن كل سيستم كنترلي و پروسس مي شد.

كنترل و اتوماسيون يكي از مهمترين مباحث نيروگاهها مي‌باشد. بطور كلي سه عضو اصلي هر سيستم كنترلي، واحد اندازه‌گيري و واحد تغييردهنده كميت(Actuator) و كنترلر مي‌باشند. دو عضو اول در فيلد (جايي كه سيستم اصلي وجود دارد) و عضو سوم معمولا" در اتاق كنترل مي‌باشد.مساله مهم در روند كنترل به شكل فوق، موضوع سيگنالها مي‌باشد؛ سيگنالهايي كه بين دستگاه كنترل‌كننده و دستگاههاي نصب شده در فيلد، رد و بدل مي‌شوند. به منظور سهولت استفاده از كنترل‌كننده‌ها در صنايع مختلف، لزوم وجود يك استاندارد براي تعريف ماهيت سيگنالهاي مزبور، از مدتها قبل حس شده بود. ابتدا در سالهاي دهه 50 ، بصورت استاندارد ، از سيگنالهاي بادي با فشار بين 3-15 psi براي اين منظور استفاده مي‌شد. با گسترش الكترونيك و با توجه به مشكلات روش قبلي، در دهه هفتاد ميلادي، استفاده از سيگنالهاي جرياني 4 تا 20 ميلي‌آمپر براي كار سيگنالينگ ، معرفي گرديدند. گرچه در اين سالها از سطوح ولتاژ و جريانهاي ديگري نيز، خارج از استاندارد فوق استفاده مي شد، اما رفته رفته، با توجه به مزاياي اين روش، ساير روشها كنار گذاشته شد. يكي از مهمترين مزاياي كاربرد حلقه جرياني 20- 4 ميلي‌آمپر، مصونيت بالاي آن نسبت به نويز بود.
در دهه 90 سنسورهاي هوشمند (smart) پديد آمدند كه علاوه بر عملكرد يك ترانسميتر و يك ترانسديوسر، با بهره‌گيري از تكنولوژي ميكروپروسسور، در خود عمليات ديگري همچون كاليبراسيون، عيب‌يابي، تبديل واحد اندازه‌گيري و نيز بعضي از عمليات كنترلي را مي‌توانستند انجام دهند.

با توسعه شبكه‌هاي كامپيوتري و مفاهيم آن، ايده استفاده از اين تكنولوژي در پروسه كنترل صنعتي بوجود آمد و فيلدباس (Field bus) به اين صورت، شكل گرفت. فيلدباس يك پروتكل ارتباطي بين سنسورهاي هوشمند است كه توسط آن، سنسورها و ساير اجزاي كنترلي در فيلد، يك شبكه محلي LAN را تشكيل داده‌اند. مشخصات اصلي فيلدباس بصورت زير بيان مي‌شود:

Ø جايگزين ديجيتالي روش سنتي انتقال اطلاعات حلقه جرياني 4 تا 20 ميلي‌آمپر است.
Ø كنترل، آلارم ، منحنيهاي عملكردي (Trend) و ساير عمليات، توسط فيلدباس، بين اجزاي كنترلي ، توزيع مي‌شود.
Ø دستگاههاي ساخته شده توسط هر كمپاني، با رعايت استاندارد فيلدباس، قابليت كار با هم و در كنار هم را داشته باشند.​

Ø است، به اين معني كه بدون هيچگونه ليسانسي، كليه اطلاعات و جزييات آن برا همگان در دسترس است.​

دستگاهها و سنسورهاي مورد استفاده در فيلدباس از نوع smart هستند. اما كليه سنسورهاي smart موجود ، قابل استفاده در فيلدباس نيستند. فيلدباس يك سيستم كامل است كه عمليات كنترل را بين دستگاههاي نصب شده در فيلد، توزيع مي‌كند و همزمان امكان تنظيمات و تغييرات و نظارت را در اتاق كنترل، توسط خطوط ارتباطي شبكه‌اي، فراهم مي‌سازد. فيلدباس بعبارت كوتاهتر، جايگزين روش سنتي 4 تا 20 ميلي‌آمپر و كنترل DCS كه در آن پروسه كنترل، به عهده يك يا چند كنترلر بصورت متمركز قرار دارد، شده است.
در شكل زير به صورت گرافيكي تفاوت بين مفهوم DCS و Fieldbus را مي‌توان مشاهده نمود. شكل سمت راست مربوط به فيلدباس و شكل سمت چپ ، مفهوم DCS را نشان مي‌دهد.


سیر تکامل سیستمهای کنترلی:
در اوايل دهه 1960 ادوات وكنترلر هاي الكترونيكي جايگزين كنترلرهاي نيوماتيكي شدند كه از مزاياي اين كنترلر هامي توان سرعت و دقت زياد و كم حجم بودن آنها را نام برد. طولي نكشيد كه كامپيوترهاي ديجيتال كه قابليت پردازش لوپها ي كنترلي را داشتند، جايگزين كنترلرهاي الكترونيكي شدند. كامپيوتر مركزي پس از دريافت تمام متغير هاي پروسسي از طريق وروديها و دستورات صادره توسط اپراتور از طريق صفحه كليد ، آنها را طبق برنامه كنترلي از قبل نوشته شده پردازش و نتايج اين پردازش را از طريق خروجيها به محركهاي نهايي كنترل اعمال مي كنند. اين نوع كنترل اصطلاحا DDC (Direct Digital Control) ناميده مي شود و در آن اپراتور توسط يك صفحه كليد و يك نمايشگر VDU(Visual Display Unit) با سيستم ارتباط بر قرار مي كند. كامپيوتر مركزي قابليت پردازش حجم زيادي از متغير هاي زماني وپروسسي را دارد ولي با افزايش بيش از حد اين اطلاعات، سرعت و كارايي كامپيوتر پايين آمده و به كامپيوتري با ظرفيت و سرعت زياد نياز مي شد و اگر كامپيوتر مركزي از كار مي افتاد باعث از كار افتادن كل سيستم كنترلي و پروسس مي شد.
DCS در واقع تكميل شده و توسعه يافته سيستم كنترل مركزي يا همان DDC مي باشد، كه سطوح مختلف كنترلي در آن بيشتر و تكميل تر مي باشد. در اين سيستم متغير هاي اندازه گيري شده توسط سيگنالهاي آنالوگ (ولتاژ،جريان و...) به كارتهاي ورودي DCS منتقل و اين سيگنالها پس از تبديل به معادل ديجيتال جهت پردازش وارد سيستم مركزي كنترل مي شوند و در رابطه با سيگنالهاي خروجي نيز نتايج پردازنده مركزي كنترل بصورت ديجيتال به كارتهاي خروجي ارسال و در آنجا پس از تبديل اين سيگنالها به آنالوگ،به محرك ها اعمال مي شوند. در پايين ترين سطح اين سيستم (Process Controller) كار اندازه گيري متغير هاي پروسسي، كنترل لوپها توسط كنترلر هاي ميكروپروسسوري، اجراي Logic ها ، جمع آوري اطلاعات و آناليز آنها ، محاسبات و ارتباط با وسايل و ادوات ديگر انجام مي شود .
كارهاي انجام شده در پايين ترين سطح توسط اپراتورها قابل كنترل بوده و توسط يك Supervisor مشاهده و قابل ثبت مي باشد. در سيستم DCS از كار افتادن هريك از قسمتهاي كنترلي تاثير آنچناني بر پروسه كنترلي نداشته است و حتي با از كار افتادن سطوح بالا، سطوح پايين كه شامل Process Controller ها مي باشد، مي تواند كار كنترلي را ادامه دهد. در DCS سيگنال راه اندازه گيري شده و سيگنال ارسالي به ادوات توسط يك جفت سيم به ورودي و خروجيهاي Process Controller وصل مي شوند و ارتباط اين سطح باسطوح ديگر از طريق بزرگراههاي اطلاعاتي و شبكه خاص خود سيستم (Data Highway & Plant Network)
صورت مي گيرد و باعث كاهش هزينه سيم كشي و امكان اضافه نمودن ادوات بيشتر و ارتباط ادوات اضافه شده با ادوات موجود از طريق اين بزرگراههاي ارتباطي را مي دهد و بدين ترتيب توسعه سيستم آسانترو با كمترين هزينه صورت مي گيرد.


اساس كار كنترلرهاي ‍PLC ميكروپروسسوري بوده و شبيه سيستمهاي كنترل مركزي و DCS عمل مي كنند ولي با قابليت هاي محدودتر و كمتر. اين نوع كنترلر ها جهت كنترل قسمتي از پروسس واحد كه مي تواند مستقل از كل واحد كار كرده و پروسه پيچيده اي ندارد، بكار رفته و جايگزين رله ها و تايمرهاي الكترومكانيكي شده و جهت اجراي برنامه هاي ترتيبي(Sequential) و گسسته (Discrete System) استفاده مي شوند. با وجود پيشرفتهاي زيادي كه تا كنون در زمينه ساخت و بكارگيري سيستم هاي كنترلي صورت گرفته ولي كنترلرهاي PLC هنوز كاربرد داشته و همراه سيستمهاي جديد بخشي از واحد پروسسي را كنترل مي كنند.

معرفي سيستم كنترل Fieldbus:
جديدترين تكنولوژي سيستم كنترل دردنيا مي باشد ، كه بعد از DCS به بازار آمده است. استاندارهايي در ارتباط آنالوگ(4-20mA و يا 1-5V ، براي سيگنال الكترونيكي و 3-15psi براي سيگنال نيوماتيكي) جهت انتقال سيگنال كنترل و ابزارهاي اندازه گيري ، از ادوات فيلد به اتاق كنترل وجود دارد. اما Fieldbus يك ارتباط ديجيتال با پروتكل خاص خود مي باشد. اين پروتكل متفاوت با ساير پروتكل ها مي باشد، زيرا در پروتكل هاي ديگر هدف فقط انتقال اطلاعات بوده ولي در طراحي پروتكل FCS اهداف كنترلي و كاربرد فرايند هاي فرايندي منظور شده و هدف صرف ارتباط ديجيتال نمي باشد.بحث ارتباط هوشمند در اواسط دهه 80 ، تحول مهمي در زمينه ارتباط ديجيتال ايجاد كرد. به بيان ساده ، Fieldbus يك شبكه ارتباطي دو طرفه سريال و تمام ديجيتال با پروتكل Multi-drop ما بين ادوات و وسائل ابزار دقيقي هوشمند فيلد
(Intelligent Field Device)همچون سنسورها (Sensors) ، عملگرها (Actuators) ، ترانسميترها (Transmitters) و... با كنترلر و كنترل مركزي مي باشد و هدف در اين سيستم توزيع كار كنترلي و استراتژي كنترل در كل ادوات فيلد مي باشد.
IEC(International Electrotechnical Commission) پروتكل هاي زير را براي فيلد باس معرفي كرده است:

Ø Foundation Fieldbus and HSE
Ø Controlnet
Ø Profibus and Profinet
Ø P-NET
Ø WordFIP
Ø INTERBUS
Ø SwiftNet​

Foundation Fieldbus) FF) ))از استاندارهاي معروف فيلد باس است كه در سال 1994 جهت اهداف زير معرفي شدو اين بخش به تو ضيح در مورد اين استاندارد اختصاص دارد:


1. ترقي دادن فيلد باس و گسترش آن هم براي راحتي مصرف كننده و هم براي توليد كننده
2. رسيدن به يك استاندارد مناسب و هماهنگ
به دليل سرعت تحولات و پيشرفت صنعت، بخصوص صنعت كنترل، سريع بوده و روز به روز سيستمهاي پيشرفته تري توليد مي شود و سيستم هاي قبلي و قديمي (Pneumatic&DCS) از رده خارج مي شوند، لذا از نظر آينده نگري و خصوصا از نظر اقتصادي طبيعي. منطقي به نظر مي رسد كه بجاي انتخاب سيستمي كه در حال از رده خارج شدن مي باشد و در سه يا چهار سال آينده مشكل قطعه يدكي و سرويس دهي از طرف سازندگان را خواهد داشت، سيستمي را انتخاب كرد كه حداقل با اين سرعت پيشرفت تا دو دهه ديگر نگراني مشكلات تعويض و از رده خارج شدن را نداشته باشد.شبكهFieldbus شبيه LAN بوده و تركيبي از سگمنتها مي باشد و هر سگمنت به يك كارت كنترلي به نام H1 متصل مي باشد و قابليت اتصال چند وسيله ابزار دقيقي را فقط با يك جفت سيم فراهم مي كند وجايگزين سيستم
Tranditional point-to- point) 4-20mA)شده است كه براي هر تجهيز فيلد يك جفت سيم بكار مي رود.سيگنال Fieldbus به وسيله سوار شدن بر روي يك ولتاژ مستقيم كه وظيفه تغذيه ادوات Fieldbus را دارد، منتقل مي شود. انجام اين كار بوسيله دستگاهي به نام Power Conditionكه مابين منبع تغذيه و شبكه Fieldbus قرار دارد، صورت مي گيرد و كنترل اين تبديل از طريق سيستم برنامه ريز گذرگاه به نام
LAS(Link Active Scheduler)انجام مي شود. سيگنالهاي FCS با استفاده از يك تكنيك خاص، تبديل به كد مي شود. اين سيگنال “ سيگنال سنكرون “ ناميده مي شود.

معرفي دو استراتژي Field bus و DCS:
فيلدباس يك پروتكل ارتباطي است كه بايد استاندارد گردد تا بصورت جهاني، مورد قبول و استفاده در آيد. فيلدباس همانگونه كه گفته شد يك سيستم ارتباطي ديجيتالي دو طرفه را جايگزين روش سنتي 4 تا 20 ميلي‌آمپر مي‌كند. مزاياي استفاده از اين سيستم ارتباطي جديد را مي‌توان بصورت زير درنظر گرفت:

Ø دقت و اقابليت اطمينان بيشتر اطلاعات رد و بدل شده
Ø امكان دسترسي متنوع‌تر به يك سنسور
Ø امكان عيب‌يابي و پيكربندي از راه دور
Ø كاهش حجم سيم‌كشي
Ø امكان استفاده از سيم‌كشي فعلي​

قابليت اطمينان و دقت اين سيستم از آنجا ناشي مي‌شود كه سنسورها مجهز به ميكروپروسسور هستند و مثلا" در يك حلقه كنترلي، ميكروپروسسورهاي موجود در سنسور و شيرهاي كنترلي، مستقيما" با يكديگر اطلاعات را بصورت ديجيتالي رد و بدل مي‌كنند و نه به كمك مبدلهاي A/D و D/A كه خود منجر به بروز خطا مي‌شود. مزيت انتقال ديجيتالي در آن است كه نويزهاي موجود، به هيچ وجه نمي‌توانند كميت منتقله را دچار تغيير نمايند.
امكان دسترسي متنوع به يك سنسور هم به اين معني است كه مثلا" سنسور فشار كه وظيفه اصلي آن اندازه‌گيري فشار است، همزمان مي‌تواند دماي پروسه را هم اندازه‌گيري كرده و انتقال دهد.
تنظيمات و پيكربندي(Configuration) دستگاهها و همچنين كاليبره كردن آنها براحتي و از اتاق كنترل ميسر است.كاهش حجم سيم‌كشي نيز با توجه به آنكه، همگي يا گروهي از سنسورها بر روي فقط يك كابل دو رشته نصب شده‌اند و نيازي به سيم‌كشي مجزا براي هر سنسور تا اتاق كنترل نيست، مشهود مي‌باشد.
بسياري از پروتكلهاي فعلي سنسورهاي هوشمند (smart) غير فيلدباس، مختص فقط كمپاني سازنده خود است. استفاده از اين محصولات، باعث وابسته شدن مصرف‌كننده به يك شركت خاص است و اگر در طرح توسعه، نياز به سنسوري خاص باشد كه آن شركت نداشته باشد، مصرف‌كننده مجبور است به 4 تا 20 ميلي آمپر برگردد. اما يك سيستم باز (Open system) ، چيزي دقيقا" مخالف مورد بالاست. در يك سيستم باز، آخرين استانداردها براحتي در دسترس همگان است و شركتهاي متعدد مي‌توانند سنسورها و تجهيزات خود را مطابق آن ساخته و به دست مصرف‌كننده برسانند. مطابق اين استاندارد و وجود استاندار 4 تا 20 ميلي‌آمپر باعث شده است كه سنسورها و تجهيزات مطابق اين استاندارد، بتوانند بدون هيچگونه مشكلي كار كنند. اين موضوع را انطباق و يا توانايي كار با هم گويند (Interoperability) . فيلدباس اين موضوع را نيز پشتيباني مي‌كند.سيستمهاي فيلدباس براي ايجاد ارتباط بهتر بين وسايل سطح field و واحد كنترل، درصنعت بوجود آمدند. نگاهي به روش قديمي‌تر انتقال اطلاعات، ما را با ضرورت استفاده از باس آشنا مي سازد. پس از كنترلرهاي پنيوماتيكي و همزمان با استفاده از كنترلرهاي الكتريكي، مقدار استاندارد جريان 4 تا 20 ميلي آمپر براي انتقال اطلاعات آنالوگ بصورت استاندارد پذيرفته شد. در اين كنترل كننده ها براي هر كدام از وسايل سطح فيلد، بايد يك جفت سيم از اتاق كنترل كشيده مي شد و ارتباط از طريق اين سيمها فقط در يك جهت انجام مي شد. با پيشرفت تكنولوژي از شبكه هاي باس براي انتقال اطلاعات كنترل كننده هاي ديجيتالي جديد و ابزار دقيق هوشمند استفاده مي شد.

به اين ترتيب نياز به استفاده از مبدلهاي D/A,A/D از بين مي رفت. در ضمن از آنجايي
كه سيگنال ديجيتال بطوردائم بر روي خط نيست، امكان اتصال چند وسيله به اين خط انتقال دوطرفه ممكن مي شد. به اين ترتيب انتقال اطلاعات از طريق باس، با كاهش سيم كشي و وسايل جانبي همراه شده و جايگزين روش قديمي تر 4-20 میلی آمپر میباشد
باس هايي كه در سيستمهاي اتوماسيون صنعتي استفاده مي شوند ويژگيهاي ديگري را نيز بايد به همراه داشته باشند که عبارت است از:

Ø داشتن يك پروتكل open براي اينكه كاربر بتواند از روي ابزار دقيق ساخته شده توسط سازندگان مختلف، در شبكه خود استفاده كند. (به اين صورت interoperability و interchangeability وجود خواهد داشت)
Ø امكان استفاده در محيط هاي خطرناك لازم مي دارد كه محيط انتقال اطلاعات هم در برابر انفجار، ايمن باشند. مثلاً براي سيستمهاي فيلدباس، مدل FISCO يك راه براي بيان شرايط ايمن انتقال اطلاعات است. در شبكه field ذاتآ ايمن ، جريان و ولتاژ به وسيله Safety barrier P.S ها محدود مي‌شود.
Ø در پروسه هاي پيچيده (وبخصوص) خطرناك امكان قطع شبكه و تعويض device هاي شبكه بدون shut down كردن پروسه وجود ندارد. براي همين هم بايد امكان plug & play بودن براي اين وسايل وجود داشته باشد.
Ø شبكه دو سيمه: براي كاهش هزينه ها ، كوتاه كردن سيم كشي و كم كردن تعداد safety barrier ها، بجاي شبكه 4 سيم از شبكه 2 سيم استفاده مي شود و توان لازم هم از طريق خط سيگنال منتقل مي شود.
Ø Baud rate انتقال داده بايد به اندازه اي باشد كه تضمين كند سيكل زماني شبكه، از كمترين زمان لازم براي تغييرات اطلاعات كمتر باشد.
Ø امكان استفاده از توپولوژيهاي مختلف براي باس مثلاً line , tree و… امكان‌پذير باشد.​

علاوه بر موارد بالا، شبكه ها بايد قابل انعطاف بوده و از نظر اقتصادي نيز به صرفه باشند. به اين منظور تعداد ابزار دقيق هوشمند استفاده شده، بايد حداقل شود. شبكه انتقال اطلاعات بايد سطوح مختلفي داشته باشد و امكان انتقال اطلاعات براي عمليات سريع و بلادرنگ نيز بايد وجود داشته باشد.
هزينه سيستمهاي فيلدباس با توجه به كاهش هزينه هاي كابل كشي، برنامه نويسي و نصب تا حدود 40 درصد كمتر از سيستمهاي قديمي تر 4 تا 20 ميلي آمپر است. قابليت انعطاف اين سيستمها بالا و خطا در آنها كمتر است. كامپيوتر هاو PLC ها به راحتي مي توانند در اين شبكه ها قرار بگيرند و سيستمهاي نظارتي بسيار پيشرفته در آنها استفاده مي شود. همچنين به علت خاصيت interoperability تضمين شده در سيستمهاي فيلدباس، انتخاب Device ها كاملآ آزاد و مستقل از يك سازندة خاص است.
در سيستمهاي فيلدباس، كنترل به صورت توزيع شده واقعي انجام مي پذيرد. به اين معني كه عمليات كنترلي به صورت توابعي تعريف شده، بين Device هاي تشكيل دهندة يك حلقه كنترلي تقسيم مي شوند و از كنترل متمركز موجود در سيستمهاي DCS تا حدودي بي نياز مي‌گرديم. يعني كه Device ها (ترانسيمترها و عملگرها) در فيلدباس هموشمند هستند. بنابراين مي‌توان دريك شبكه فيلدباس،آنها را جزئي از شبكه دانست. در واقع دامنه ديد در كنترل با فيلد باس، تا لايه فيلد، وسيع مي گردد.
به عنوان آخرين و شايد مهمترين ويژگي سيستمهاي فيلدباس ، متذكر مي شويم كه دسترسي به اطلاعات ،چه از نوع مهندسي و چه از نوع مديريتي در اين شبكه ها بسيار آسان است.با توجه به هوشمند بودن وسايل و توانايي آنها در تهيه و ارسال اطلاعات كاملي از شرايط و نحوه كاركردخود ، همه گونه اطلاعات مهندسي براي مرتفع كردن مسايل نگهداري ، تعميرات ، ايمني ،شرايط خاص و ... در دسترس است. همچنين اطلاعات مديريتي ، از قبيل مديريت نگهداري ، كيفيت ، بازرگاني و ... با توجه به قابليت موجود در سيستمهاي فيلد باس به طور قابل توجهي افزايش يافته اســت .
امروزه بيش از 100 نوع سيستم فيلدباس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمي از آنها همه نيازهاي موجود در صنعت را به عنوان يك سيستم Field Network برآورده مي سازند.از ميان آنها دو سيستم فيلدباس مهم با يكديگر رقابت مي كنند؛ PROFIBUS كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسيا و آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد .
اهميت ارايه يك استاندارد جهاني براي فيلدباس، سازمانهايي مانند

o ISA (Instrument Society of America)
o IEC (International Electromecanical Commission
o Profibus (German National Standard)
o FIP (French national standard)​

را بر آن داشت تا كميته فيلد باس SP50 (IEC/ISA) را تشكيل دهند. در سال 1992 ، دو گروه كه شامل شركتهاي بزرگ جهاني بودند، هر كدام فيلدباس مربوط به خود را به بازار ارايه دادند. ضمن آنكه اعلام كردند كه به مجرد فرموله شدن استاندارد كميته SP50 ، محصولات خود را مطابق آن تغيير خواهند داد. اسامي اين دو گروه در زير آورده شده است :

o Interoperable System Project(ISP)
o World Factory Instrumentation Protocol(WorldFIP)​

در سال 1994 ، دو گروه فوق نيز با هم متمركز شده و Foundation Fieldbus را در راستاي تسريع پروسه استانداردسازي فيلدباس، تاسيس كردند.

امروزه بيش از 100 نوع سيستم فيلد باس مختلف ارائه شده است كه تعداد كمي از آنها، همه نيازهاي موجود در صنعت را به عنوان يك سيستم Field Network برآورده مي سازند. از ميان آنها دو سيستم فيلدباس مهم با يكديگر رقابت مي كنند. Profibus كه در اروپا به وجود آمد و FOUNDATION Field bus كه در آسيا و آمريكا مورد استفاده قرار مي گيرد..ساير سيستمهاي فيلدباس مطرح عبارتند از:

o INTERBUS – S
o DeviceNet
o ARCNET
o AS-I
o Seriplex
o LonWorks
o SDS
o ControlNet
o CANopen
o Ethernet
o Modbus Plus
o Modbus RTU/ASCII
o Data Highway Plus(DH+)​

سيستم كنترل توزيع يافته (DCS)

با معرفي ميكروپروسسورها ، و ميكروكامپيوترها به بازار ، كارهايي كه در يك پروسه بر عهده يك كامپيوتر بود بين ميكروپروسسورها و ميكروكامپيوترها تقسيم شد و باعث به وجود آمدن نسلي از روش كنترل به نام DCS شد. DCS مخفف Distributed Controller System است و هدف از آن، انجام عمليات كنترلي به صورت غيرمتمركز است.

برخلاف ظاهر سيستم DCS ، كليه كنترلرها به اتاق كنترل آورده شده اند و به نظر مي رسد كه كنترل به صورت متمركز انجام مي شود. اين در حالي است كه در سيستم هاي نيوماتيك كنترلرها اكثرا به صورت محلي وجود دارند كه در سايت نصب مي‌شوند؛ درحاليكه در DCS ، ديگر كنترلري در محل سايت نداريم. آنچه اساسا در سيستم DCS رخ مي دهد ؛ تقسيم عمليات كنترلي بين چندين كنترل كننده است كه در اتاق كنترل قرار گرفته اند ؛ به دليل همين تقسيم است كه سيستم Distributed نام گذاري شده است. در اين سيستم، حلقه هاي ساده اي متشكل از Field و كنترلر وجود دارد كه اين كنترلرها (ميكروپروسسورها) در يك لايه بالاتر در سطح supervisor به هم متصل هستند.
براي DCS مي توان چهارسطح كاري در نظر گرفت:

1) Field: در اين سطح ما با سنسورها و عملكردها سرو كار داريم.
2) Marshal cabinet: ترمينالهايي كه wiring را مرتب مي كنند در اين ترمينالها ايزولاتور ، signal conditioner barriers و… موجود است.
3) Process station: شامل كابينت هايي است كه داخلشان كارت I/O و كنترلرها قرار دارند.
4) Operator station: جايي كه اپراتور مي نشيند و plant را نظارت مي‌نمايد.​

در اين جا I/O Bus به صورت سريال استو كنترلرهاي مختلف از طريق data highway به هم متصل مي‌شوندو معمولا" از پروتكل RS485يا RS232استفاده مي كنند. در سيستم DCS معمولا" كنترلرها به صورت Full redundant هستند( CPU و باتريها)، به اين صورت كه دو تا كنترلر در مدار وجود دارد يكي slave و ديگري master. سيستم slaveدائما" سالم بودن master را چك مي كند و چنانچه به هر علتي، درست عمل نكند ، خود slave جاي سيستم Master را مي‌گيرد. كارت هاي I/O هم قابليت redundancy دارند ولي آنچه در مورد كارتهاي I/O بايد دقت شود آن است كه كارت هايي كه redundant يكديگر هستند در يك rack قرار نگيرند ؛ كه اگر احتمالا" back plane (بورد الكترونيكي كه PLC و كارتهاي I/O بر روي آن نصب مي‌گردند) دچار مشكل شد، بتوان از كارت redundant استفاده نماييم . نكته بسيار مهم در مورد DCS قابليت ذخيره سازي اطلاعات است.
در سيستم هاي قديمي چنانچه از اطلاعات بدست آمده استفاده نكنيم ؛ اطلاعات ازبين مي رود، در حاليكه در سيستم DCS ، قابليت ذخيره سازي اطلاعات وجود دارد. مشكل عمده در سيستم هاي DCS ، Vendor dependent بودن اين سيستم است يعني اگر كنترلري را از يك شركت خريداري كنيم ؛ قطعات يدكي را هم بايد از همان شركت بخريم.

 

[P O U R I A]

مدل مرجع(( OSI) Open system Interconnect) :


لايه هاي مدل OSIدر شكل 2-2 نشان داده شده است،در فيلد باس سه لايه هاي 3,4,5,6 از مدل مرجع OSI حذف شده است و مورد استفاده قرار نمي گيرد و همچنين لايه كاربر نيز در مدل OSI نبوده در حاليكه در مدل تعريف شده براي فيلد باس وجود دارد بنابراين تكنولوژي فيلد باس شامل سه لايه است:
1) لايه فيزيكي
2) لايه پشته ارتباطات
3) لايه كاربردي
1) لايه فيزيكي :اين لايه مكانيسمي براي ارسال و دريافت سيگنالهاي الكتريكي بين قطعات فيلد باس مي باشد كه اطلاعات در قالب منتطق 0 و 1 از يك نقطه شبكه به نقاط ديگر ارسال مي شد. اين لايه اطلاعات را ازلايه پشته مي گيرد. سپس به سيگنال الكتريكي تبديل مي كند و روي باس قرار مي دهد و بالعكس.
2) لايه پشته ارتباطات(DLL):
لايه تنظيم اطلاعات و تعيين تقدم و صف بندي اطلاعات را برعهده دارد. اين كار توسط قسمتي به نام
LAS(Link Active Scheduler)انجام مي گيرد
LAS شامل ليستي از نوبت بندي ارسالي از تمام قطعات فيلد باس مي باشد كه مي بايست اطلاعات خود را ارسال نمايند. هنگاميكه زمان ارسال اطلاعات يك ابزار فرا مي رسد LAS يك پيغام Compel Data به آن ابزار ارسال مي كند. پس از دريافت CD ، آن ابزار بافر خود را به تمامي قطعات فيلد باس ارسال مي كند LASمي تواند پيغام ديگري به نام PT(Pass Token)را نيز به ابزارات فيلد باس ارسال نمايد در اين حالت وسيله اي كه PT را دريافت كرده است اجازه دارد تا زمانيكه كارش تمام شود يا حداكثر زمان نگهداري پايان يابد اطلاعات خود را ابزارات ديگر فيلد باس ارسال نمايد.
دو زير لايه FAS و FMS(Fieldbus Message Specification)نيز بر روي DLL قرار دارند.
3) لايه كاربر:
اين لايه شامل بلوك هايي است كه هر يك از اين بلوكها معرف توابع كاربري خاصي هستند كه در ادامه اين بخش توضيحات مختصري درباره اين بلو كها داده خواهد شد.فيلد باس را مي توان به سه دسته زير تقسيم كرد:
Low-Speed Fieldbus) FF-H1
High-Speed Fieldbus) FF-H
High- Speed Ethernet) HSE
Foundation Fieldbus H1 ، با سرعت انتقال دادهKHz 31.25 ، براي اجراي بيشترين الگوريتم كنترل ،باندازه كافي سريع نيست.براي اين منظور،يك لايه ارتباطي سريعتر داخل Foundation Fieldbus وجود دارد: كه آن فيلدباسهاي بر مبناي Fast-Ethernet مي باشد. اما فيلدباس H1،در برخي كاربرد ها با موفقيت عمل مي كند.

توپولوژيهاي فيلدباس:
چندين توپولوژي ممكن براي شبكه فيلد باس وجود دارد.اين بخش تعدادي از توپولوژيهاي ممكن را نشان داده و در مورد خصوصيات هر يك توضيحاتي داده است.شكل 3-2 چهار توپولوژي را نشان مي دهد كه در زير در مورد هركدام شرح داده مي شود:
1) Daisy-Chain
2) Tree Topology
3) Point to Point
4) Spur Topology




Daisy Chain Topology
اين توپولوژي به معني اتصال چند وسيله فيلد به يك خط Trunk به صورت سري، بدون داشتن ارتباط شاخه اي يا گرفتن T مي باشد دراين نوع از توپولوژي امكان اضافه و يا كم كردن ادوات بطوريكه ديگر ادوات از سرويس خارج نشوند وجود ندارد و به همين دليل از اين توپولوژي به ندرت استفاده مي شود.



Tree Topology
اين توپولوژي زماني بكار برده مي شود كه چند وسيله ابزار دقيقي از نظر فيزيكي كاملا نزديك هم با شند. ارتباط اين چند وسيله مستقيما توسط ارتباط Trunk از FCS Junction Box نزديك ادوات ، به كارت H1 صورت مي گیرد.


Spur Topology
اين توپولوژي ممكن است زماني بكار رود كه چند وسيله در يك مسير ( نه ضرورتا نزديك هم) قرار گرفته باشند. خط ‏Trunk(شاه سيم) از Host شروع و تا آخرين وسيله فيلد ادامه پبدا مي كند و هر يك از ادوات توسط ارتباط T به اين خط وصل مي شوند



Point-to-Point Topology
اين توپولوژي شامل يك سگمنت است كه تنها دو تجهيز دارد.و مطابق شكل زير است



شكل زير تركيبي از چهار توپولوژي ذكر شده نشان مي دهد:



با توجه به تعاريف فوق بهترين نوع اتصال ادوات FCS توپولوژي Tree مي باشد. به دلايل قيد شده در ذيل ، تعداد ادوات قابل اتصال به هر Segment محدود مي باشد. كيفيت سيگنال با افزايش تعداد ادوات متصل به يك سگمنت در مجموع طول كابل افزايش مي يابد ، اين طول تبايد بيشتر از 1900 متر و حداكثر طول يك Spur در عمل نبايد بيش از 120 متر باشد و اين طول در كيفيت سيگنال تاثير دارد. جريان و ولتاژ اعمالي توسط منبع تغذيه ، ولتاژ دريافتي هروسيله بايد مابين 9 تا 32 ولت مستقيم باشد. تعداد ادوات واقع در هر سگمنت FCS نيز وابسته به منبع ولتاژ منبع تغذيه ، مقاومت خط و جريان مصرفي ادوات محدود مي شود . انتها ي هر كابل با يك Terminator با امپدانس Ω 100 محدود مي شود. اين امر كابل اينسترومنتي را به عنوان يك مسير انتقال متعادل جهت انتقال يك سيگنال با فركانس نسبتا بالا با كمترين اعوجاج و نويز ممكن مي سازد.ادوات Fieldbus مجهز به سيستم ميكروپروسسوري بوده و مي توانند بخشي از كار كنترلي را به عهده بگيرند. اين عمل با بارگذاري بعضي از توابع كنترلي (Function Block)FB در حافظه اين ادوات ممكن مي گردد. اين بلوك ها در مجموعه اي به نام Function Block Libraryقرار داده شده اند و به عنوان ابزاري قدرتمند در رسيدن به اهداف كنترل فرايند به كار گرفته مي شوند. هرچه تعداد اين بلوك هاي بازگذاري شده در ادوات يك سگمنت بيشتر باشد، به همان نسبت حجم اطلاعات ارسالي و دريافتي بيشتر و در نهايت پردازش آنها زمان بر خواهد بود.زمان اجراي عمليات كنترلي در هر لحظه ، فاصله زماني ورود يك سيگنال از يك ورودي آنالوگ تا خروج سيگنال از يك خروجي آنالوگ در يك حلقه كنترلي مي باشد. براي هر سگمنت يك بازه زماني تعريف مي شود كه اين بازه بايد براي اجراي عمليات كنترلي و جابجايي كليه اطلاعات موجود برروي آن سگمنت كافي باشد. واضح است كه هر چه تعداد ادوات در يك سگمنت زياد باشد به زمان زيادي جهت اجراي عمليات كنترلي و جابجايي اطلاعات نياز خواهد بود.
براي بالا بردن ضريب اطمينان(Risk assessment) و بخاطر اينكه در مواقع بروز مشكل براي يك وسيله ، حلقه هاي كنترل زيادي از سرويس خارج نشوند، براي هر سگمنت فقط يك حلقه كنترل در نظر مي گيرند و بقيه ادوات متصل به سگمنت كار غير كنترلي داشته و يا به عنوان Indicator بكار بردن مي شوند. در نتيجه در تعداد ادوات اتصالي به يك سگمنت محدوديت وجود خواهد داشت. كارتهاي ورودي/ خروجي سريال (Serial I/O) در FCS كه كارتهاي H1 ناميده مي شوند، جايگزين كارتهاي ورودي/ خروجي 4-20mA
(Traditional I/O) در DCS شده اند. كارتهاي H1 كا ارتباط ادوات فيلد را با شبكه FCS بر قرار مي كنند،نياز به مارشالينگ كابينت و سيم بندي خاصي ندارند و در حال حاضر مي توان تا 16 دستگاه از ادوات فيلد را به آن وصل نمود، ولي هيچكدام از سازندگان Fieldbus قرار دادن بيش از 10 دستگاه از ادوات فيلد را توصيه نكرده و تضمين نمي كنند.