[Industrial Communications] Profibus
สมัยก่อนโรงงานอุตสาหกรรมที่มีการควบคุมแบบซีเควนส์โดยมีพีแอลซี( PLC — Programmable Logic Controllers ) เป็นตัวควบคุมและยังไม่มีการต่อกันเป็นระบบ พบว่ามีความยุ่งยากในการต่อสายมากเนื่องจากการต่อสายแบบหนึ่งเส้นต่อหนึ่งอินพุทหรือเอาท์พุทนั้นใช้สายเป็นจำนวนมาก ต่อมาได้มีการนำโปรฟิบัส ( PROFIBUS — Process Field Bus ) มาใช้ซึ่งโปรฟิบัสเป็นมาตรฐานแบบหนึ่งสำหรับการติดต่อแบบอนุกรมกับอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในโรงงาน โดยใช้บัสเพียงเส้นเดียวในการเชื่อมต่อ ทำให้สามารถลดจำนวนสายลงแต่สามารถเพิ่มความเร็วในการติดต่อสื่อสารได้มากขึ้น โดยได้ค่าที่ถูกต้องเที่ยงตรงระบบโปรฟิบัสเป็นมาตรฐานระบบเปิดสำหรับการผลิตและการควบคุมอัตโนมัติที่ไม่ผูกมัดกับผู้ผลิตใด ๆ โปรฟิบัสจะเป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐานระหว่างประเทศ ( IEC61158, EN50170, 50240 ) เพื่อให้อุปกรณ์ต่าง ๆ ที่ใช้มาตรฐานนี้สามารถติดต่อกันและใช้งานร่วมกันได้อย่างสมบูรณ์
Profibus คือ
PROFIBUS ไม่ใช่ระบบการสื่อสารเดียว แต่เป็นโปรโตคอลที่หลากหลายที่สร้างขึ้นในชุดข้อมูลเทคโนโลยีบัสบัสเดียวกัน ผู้ใช้สามารถรวมโพรโทคอล PROFIBUS ที่หลากหลายกับซอฟต์แวร์ของตัวเองและข้อกำหนดอื่น ๆ ส่งผลให้โปรไฟล์แอปพลิเคชันที่ไม่ซ้ำ ด้วยโปรไฟล์ที่มีอยู่มากมาย PROFIBUS สามารถตอบสนองความต้องการเฉพาะ สิ่งหนึ่งยังคงเหมือนเดิม ผ่านการทดสอบอย่างละเอียดอุปกรณ์ PROFIBUS ได้มาตรฐานคุณภาพสูงที่เหมาะสมกับเครือข่ายคุณภาพสูง
Profibus มีอยู่หลายเวอร์ชั่นด้วยกัน แต่นิยมใช้กันมากที่สุดคือ Profibus DP และ Profibus PA
- Profibus DP (PROFIBUS DP — Decentralized Peripherals) เป็นบัสแบบ Master/Slave มีความเร็วรับส่งข้อมูลสูง อยู่ระหว่าง 6 Kb/s ถึง 12 Mb/s ใช้เชื่อมต่ออุปกรณ์ (Slave) ในเครื่องจักรหรือกระบวนการผลิต(Process Automation) เช่น Sensor, Remote I/O และ Actuator เข้ากับส่วนควบคุมกลาง (Master) ซึ่งก็คือ PLC นั่นเอง
- Profibus PA (PROFIBUS PA — Process Automation) มีความเร็วรับส่งข้อมูลต่ำกว่า Profibus DP อยู่ที่ 25 Kb/s ส่วนใหญ่ใช้เฉพาะเชื่อมต่ออุปกรณ์ภายในกระบวนการผลิต(Process Automation) แทนการเชื่อมต่อสัญญาณแบบ 4–20 mA หรือใช้ในบริเวณที่เสี่ยงต่อการระเบิด (Ex)
โครงสร้างการสื่อสารตามมาตรฐานโปรฟิบัส แบ่งได้เป็น 4 ระดับ คือ
— ระดับอุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์สั่งงาน ( Sensor/actuator Level ) สัญญาณดิจิตอลจากอุปกรณ์ตรวจจับ ( Sensor ) และอุปกรณ์สั่งงาน ( Actuator ) ถูกส่งไปยังสายบัส ซึ่งเป็นการสะดวกและประหยัดค่าใช้จ่ายในการส่งข้อมูลและแรงดันไฟฟ้าไปในสายเดียวกัน โดยในระดับนี้ความต้องการปริมาณข้อมูลไม่มาก แต่ความเร็วในการสื่อสารสูง
— ระดับฟิลด์ ( Field Level ) ส่วนมากเป็นอุปกรณ์ที่แยกออกมา เช่น โมดูลอินพุท-เอาท์พุท ( I/O Module ) ทรานส์ดิวเซอร์ อุปกรณ์วิเคราะห์ และ วาล์ว มีการติดต่อสื่อสารกับระบบอัตโนมัติโดยประมวลผลแบบเวลาจริง ( Real-time ) และมีการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบวนรอบ ( Cyclic Data Exchange )
— ระดับเซลล์ ( Cell Level ) เป็นส่วนของอุปกรณ์ควบคุมของระบบ เช่น พีเอลซี ( PLCs — Programmable Logic Controllers ) และไอพีซี ( IPCs — Industrial Personal Computers ) ซึ่งติดต่อสื่อสารกันโดยระบบมาตรฐาน Ethernet TCP/IP Intranet และ Internet ข้อมูลมีการส่งแบบเป็นชุดข้อมูล
— ระดับโรงงาน ( Factory Level ) เป็นเครือข่ายในระดับบนสุด ใช้เป็นเครือข่ายการสื่อสารเพื่อควบคุมการทางานของระบบโดยรวมทั้งหมด รวมทั้งสามารถรวบรวม เรียงลาดับ และจัดเก็บข้อมูลจากเครือข่ายต่ากว่า
โปรฟิบัสดีพี ( PROFIBUS DP )
ใช้สำหรับการส่งข้อมูลที่มีความเร็วมาก เช่น อุปกรณ์ควบคุมมอเตอร์ ( Control Drives ), PLC, ระบบไฟฟ้ากำลังและอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ต้องการการเชื่อมต่อด้วยความเร็วสูง โปรฟิบัสดีพี สื่อสารแบบ Master/Slave จะมี 1 Master ( มักจะเป็น PLC ) ต่อร่วมกับ Slave ได้ 31 ตัว ต่อ Segment เมื่อระบบทำงาน Master จะ Polls ไปที่ Slave แต่ละตัวตามลำดับ ในระบบสามารถมี Master ได้หลายตัว โดย Network ของ Master จะเป็นการสื่อสารแบบหนึ่งซึ่งเรียกว่า “Token”
คุณสมบัติของโปรฟิบัสดีพี ( PROFIBUS DP )
1. โปรฟิบัสดีพี เป็นแบบ Physical Layer ตามมาตรฐาน RS-485 ใช้สาย 2 สาย ซึ่งสามารถทนการรบกวนทางไฟฟ้าได้ดี
2. โปรฟิบัสดีพี ออกแบบสำหรับระบบที่ใหญ่ได้ถึง 126 Address nodes และต่อได้ถึง
1,000 A/D In-Out จุดใน Network
3. การสื่อสารที่รวดเร็ว 12 Mbit/s
4. การต่อสายของอุปกรณ์เป็นแบบหัว Connector ทำให้ลดปัญหาความยุ่งยากและความผิดพลาดจากการต่อสายแบบเดิม ๆ
5. ง่ายสำหรับการออกแบบระบบ, การติดตั้งระบบ, Maintenance และการ Monitor สถานะการทำงานของอุปกรณ์ทุกตัวในระบบ
6. ระบบมีความยือหยุ่นมาก สามารถต่อร่วมกับระบบ Bus อื่น ๆ ได้ง่าย
*อุปกรณ์ใน โปรฟิบัสดีพี ทุกตัวจะต้องมี Device Master File ที่เรียกว่า “GSD File” ซึ่งบรรจุรายละเอียดเกี่ยวกับอุปกรณ์ เช่น I/O data size, อัตราการสื่อสารและสถานะต่าง ๆ ( ในส่วนของ GSD File จะกล่าวในหัวข้ถัดไป )
ประเภทของอุปกรณ์ในระบบโปรฟิบัส
อุปกรณ์ในระบบโปรฟิบัสดีพีแบ่งออกเป็น 2 ประเภทได้แก่
Master
เป็นผู้กําหนดข้อมูลการสื่อสารบนโปรฟิบัส โดยจะส่งข้อความที่ปราศจากการกระตุ้นจากภายนอก เนื่องจาก Master เป็นผู้ถือครองบัสจึงสามารถเรียกได้อีกชื่อหนึ่งว่า สถานีกระตุ้น ( Active stations ) แบ่งได้ออกเป็น 2 ชนิด คือ
DPM1 ( DP Master Class 1 ) ทําหน้าที่ในการควบคุมการทํางานของ Slave ภายในระบบ ตัวอย่างของ DPM1 ได้แก่ พีแอลซี ( PLCs-Programmable Logic Controllers)
DPM2 ( DP Master Class 2 ) ทําหน้าที่ในการกําหนดค่าเริ่มต้นต่างๆ ให้กับระบบ เช่น การตั้งค่าข้อมูล ( Configuration Data ) ตัวอย่างเช่น พีซี ( PC-Personal Computer)
โดย Master ทั้ง 2 ชนิดนี้ จะมีอํานาจในการครอบครองบัสตามช่วงเวลาที่กําหนด หลังจากผ่านช่วงเวลาดังกล่าวจะส่งอํานาจการครอบครองบัสหรือ Token ให้กับ Master ตัวถัดไปที่อยู่บนบัส โดยจะสื่อสารกันผ่านกระบวนการ Token Passing
Slave
เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า สถานีถูกกระทํา ( Passive Station ) เนื่องจากไม่มีอํานาจในการ
ถือครองบัส มีความสามารถเพียงรับส่งข้อมูลจากการร้องขอของ Master ได้แก่ อุปกรณ์อินพุทเอาท์พุทต่างๆ โดยที่ Master จะเป็นผู้ส่งข้อมูลเกี่ยวกับข้อกําหนดต่างๆของรูปแบบการสื่อสาร
เพื่อเป็นข้อตกลงที่ใช้ระหว่างร่วมกันในการแลกเปลี่ยนข้อมูล โดย Master จะวนมาสอบถามข้อมูลของ Slave ทุกตัวที่อยู่ในระบบอยู่ตลอดเวลา
โปรฟิบัสพีเอ ( PROFIBUS PA)
PROFIBUS PA เป็นรุ่นที่แตกต่างของ PROFIBUS DP ที่ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการปรับปรุงและเปลี่ยนระบบทั่วไปเช่น 4–20 mA และ HART ในกระบวนการอัตโนมัติ ตรงกันข้ามกับ PROFIBUS DP ข้อมูลและแหล่งจ่ายไฟจะถูกส่งผ่านสายสองเส้นเดียวกันและมีตัวเลือกป้องกันการระเบิด นอกจากนี้ PROFIBUS DP และ PA เหมือนกันในแง่ของโปรโตคอลและการใช้งาน ต้องมีการรับรอง PROFIBUS สำหรับผู้ผลิตตามโปรไฟล์เครื่องมือวัด
Profibus-PA ได้รับการออกแบบมาแทน HART และการส่งสัญญาณ 4 ถึง 20mA ในอุตสาหกรรมกระบวนการ มันใช้ฟังก์ชั่นบล็อคที่ออกแบบมาตามข้อกำหนดของอุตสาหกรรมกระบวนการและใช้ Physical Layer IEC 61158–2 ทำให้เข้ากันได้กับความปลอดภัยของวงจรภายใน
Profibus-PA เชื่อมโยงไปยังสถาปัตยกรรมการควบคุมผ่าน Profibus-DP พร้อมตัวเชื่อมต่อเซ็กเมนต์หรือลิงก์ดังที่แสดง ตัวแบ่งส่วนเป็นตัวแปลงสัญญาณที่ปรับสัญญาณ RS-485 ให้เข้ากับระดับสัญญาณ 61158–2 พวกมันโปร่งใสจากมุมมองโปรโตคอลรถบัส หากใช้ตัวเชื่อมต่อส่วนอัตราการรับส่งข้อมูลในส่วน DP (RS-485) จะต้องถูก จำกัด ที่ 45 Kbits / วินาที ตัวเชื่อมต่อส่วนยังอัดฉีดกำลังเข้าสู่เครือข่าย PA สำหรับเครื่องมือวัดเซกเมนต์
ลิงค์เป็น slaves อิสระในเครือข่าย DP ซึ่งแสดงอุปกรณ์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อกับเซ็กเมนต์ 61158–2 เมื่อเชื่อมต่อส่วน PA โดยใช้ลิงก์จะไม่มีการ จำกัด อัตรารับส่งข้อมูลในส่วน DP ซึ่งช่วยให้ประสิทธิภาพเครือข่ายบัสโดยรวมเร็วขึ้น
เป็น PROFIBUS ที่ใช้สาหรับงานควบคุมกระบวนการผลิต (Process control) โดยเฉพาะซึ่งจาเป็นต้องมีความปลอดภัยสูงมาก มีความเร็วรับส่งข้อมูลต่ากว่า Profibus DP อยู่ที่ 25 Kb/s ส่วนใหญ่ใช้เฉพาะเชื่อมต่ออุปกรณ์ภายในกระบวนการผลิต(Process Automation) แทนการเชื่อมต่อสัญญาณแบบ 4–20 mA หรือใช้ในบริเวณที่เสี่ยงต่อการระเบิด และเพิ่มความสามารถในการเพิ่มหรือลดอุปกรณ์ได้โดยไม่มีผลต่ออุปกรณ์อื่นในระบบ เนื่องจากทั้ง Profibus DP และ Profibus PA ใช้โปรโตคอลเหมือนกันทาให้สามารถเชื่อมต่อร่วมกันผ่านตัว DP/PA Coupler หรือ Link module
GSD File
ส่วนที่สําคัญอีกส่วนของการสร้าง Slave ขึ้นมา คือ GSD File ซึ่งข้อมูลที่อยู่ใน GSD File
จะเป็นข้อมูลพื้นฐานของอุปกรณ์, ลักษณะจําเพาะของอุปกรณ์นั้น ๆ โดยที่ Master จะมี GSD File เป็นของตนเอง ( Profile ของแต่ละอุปกรณ์ ) การใช้งาน GSD File ของโปรฟิบัสจะแตกต่างกับกระบวนการผลิตอื่น ๆ ตรงที่ไม่ได้อยู่ภายในตัวอุปกรณ์เอง แต่จะแยกออกมาเป็น disk /drive มีเป็นลักษณะของ text file โดย Master จะเป็นผู้ใช้งาน ดังนั้นเมื่อเราต้องการใช้งาน Slave จึงจําเป็นต้อง Up load ข้อมูล Slave โดยใช้ GSD File ให้กับ Master นอกจากนี้ GSD File ยังมีความสำคัญในการแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบวนรอบ (Cyclic Communication) ด้วยเช่นกัน
Configuration ด้วย GSD-Files
การจะสื่อสารและควบคุมอุปกรณ์ใน Profibus Communicationได้นั้นจาเป็นต้องระบคุณลักษณะของอุปกรณ์แต่ละตัวด้วยไฟล์ที่เรีียกว่า GSD file ซึ่งใช้ในซอร์ฟแวร์ทาคอนฟิกเพื่อให้อุปรณ์ Master สามารถรู้จักอุปกรณ์อื่น ๆ ในเครือข่าย อุปกรณ์เช่น Remote I/O, Drive, Actuator เป็นต้นเหล่านี้จะได้รับการจัดเตรียมไฟล์ GSD ไว้ ซึ่งมาจากผู้ผลิตอุปกรณ์ Profibus แต่ละแห่งให้ดาวน์โหลดหรือนาไปใช้ได้ ข้อมูลในไฟล์ประกอบด้วย Parameter ของการสื่อสารของอุปกรณ์และคุณลักษณะต่าง ๆ ของอุปกรณ์
