سیستم‌های ارتباطی آنالوگ در برابر فیلدباس در اتوماسیون صنعتی، به‌طور کامل توضیح داده شده‌اند

سیستم‌های آنالوگ در برابر فیلدباس در اتوماسیون صنعتی

تأسیسات صنعتی اولیه کاملاً به بهره‌برداری دستی متکی بودند و هر مرحله از فرایند به مداخله انسانی نیاز داشت. با تکامل اتوماسیون، سیستم‌های پنوماتیکی و مکانیکی به‌تدریج با تجهیزات ابزار دقیق الکترونیکی جایگزین شدند. این گذار، بازه‌های استاندارد سیگنال آنالوگ مانند حلقه‌های جریان 4–20 mA و سیگنال‌های 0–10 V DC را معرفی کرد که امروزه همچنان در اتوماسیون صنعتی کاربرد گسترده‌ای دارند.

مروری بر استانداردهای سیگنال 4–20 mA و ولتاژ

حلقه جریان 4–20 mA همچنان یکی از رایج‌ترین استانداردهای سیگنال صنعتی برای کنترل فرایند است. این استاندارد از رویکرد «صفر زنده» استفاده می‌کند؛ به‌گونه‌ای که 4 mA نشان‌دهنده حداقل مقدار فرایند و 20 mA نشان‌دهنده حداکثر آن است. این طراحی به مهندسان کمک می‌کند خطاهایی مانند مدار باز را سریع شناسایی کنند؛ زیرا مدار باز باعث خوانش جریان صفر می‌شود.

سیستم‌های مبتنی بر ولتاژ، مانند 0–10 V DC، برای کاربردهای کوتاه‌برد مناسب هستند. بااین‌حال، سیگنال‌های ولتاژی نسبت به مقاومت خط و افت ولتاژ حساس‌ترند، به‌ویژه در مسیرهای کابلی طولانی. طبق قانون اهم، با افزایش مقاومت سیم، ولتاژ کاهش می‌یابد؛ بنابراین سیستم‌های مبتنی بر جریان برای انتقال در مسافت‌های طولانی پایدارتر هستند.

در بیشتر سیستم‌های کنترل صنعتی، در مرحله ورودی PLCها یا RTUها از یک مقاومت 250 Ω استفاده می‌شود تا سیگنال 4–20 mA برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال به بازه ورودی 1–5 V تبدیل شود.

شکل 1. سیم‌کشی حلقه جریان 4–20 mA در سیستم‌های کنترل صنعتی.

مزایا و محدودیت‌های سیگنال‌های آنالوگ

سیستم‌های سیگنال آنالوگ ساده و عیب‌یابی آن‌ها آسان است. مهندسان می‌توانند جریان حلقه را مستقیماً با استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری استاندارد اندازه‌گیری کنند. مفهوم صفر زنده، تشخیص خطا را بهبود می‌دهد و سیستم نیز هنگام بهره‌برداری برای تعمیر و نگهداری ایمن باقی می‌ماند.

بااین‌حال، سیستم‌های آنالوگ برای هر نقطه سیگنال به سیم‌کشی اختصاصی نیاز دارند. این موضوع هزینه نصب را افزایش می‌دهد و مقیاس‌پذیری را در سیستم‌های اتوماسیون بزرگ کاهش می‌دهد. این سیستم‌ها همچنین قابلیت‌های پیشرفته عیب‌یابی را ندارند و نمی‌توانند اطلاعات سلامت یا پیکربندی تجهیز را منتقل کنند.

ارتباطات فیلدباس در اتوماسیون صنعتی

سیستم‌های فیلدباس، ارتباط دیجیتال میان تجهیزات فیلد و سیستم‌های کنترل را فراهم می‌کنند. پروتکل‌هایی مانند Foundation Fieldbus، HART و PROFIBUS به چندین تجهیز اجازه می‌دهند یک شبکه ارتباطی واحد را به اشتراک بگذارند. این امر پیچیدگی سیم‌کشی را در کارخانه‌های صنعتی، به‌ویژه در پلتفرم‌های کنترل مدرن مانند سیستم‌های ABB 800xA و AC 800M، به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

برخلاف سیستم‌های آنالوگ، شبکه‌های فیلدباس هم داده‌های فرایند و هم اطلاعات عیب‌یابی را منتقل می‌کنند. این قابلیت، پیکربندی از راه دور، پایش وضعیت و تعمیرات پیشگویانه را از اتاق کنترل امکان‌پذیر می‌کند.

در پیاده‌سازی‌های معمول، تجهیزات با استفاده از توپولوژی ترانک و اسپِر متصل می‌شوند. ترانک به‌عنوان ستون فقرات اصلی ارتباطی عمل می‌کند و اسپِرها تجهیزات ابزار دقیق فیلد را به آن متصل می‌کنند.

شکل 2. توپولوژی فیلدباس با استفاده از معماری ترانک و اسپِر.

پروتکل HART و ارتباطات ترکیبی

HART (مبدل راه دور آدرس‌پذیر بزرگراهی) یک پروتکل ارتباطی ترکیبی است که سیگنال‌های دیجیتال را بر روی حلقه‌های سنتی 4–20 mA سوار می‌کند. این پروتکل برای انتقال اطلاعات دیجیتال بدون ایجاد اختلال در سیگنال‌های آنالوگ، از کلیدزنی شیفت فرکانس استفاده می‌کند.

ارتباط HART در حالت نیمه‌دوطرفه و با سرعت 1200 bps، با استفاده از دو فرکانس کار می‌کند: 1200 Hz برای منطق «1» و 2200 Hz برای منطق «0». این قابلیت، ارتباط دوسویه میان تجهیزات فیلد و سیستم‌های کنترل را فراهم می‌کند.

شکل 3. ارتباط HART میان تجهیز اصلی و تجهیز فیلد.

مزایای سیستم‌های فیلدباس و HART

سیستم‌های فیلدباس و HART در مقایسه با حلقه‌های آنالوگ سنتی مزایای قابل‌توجهی دارند. آن‌ها نیاز به سیم‌کشی را کاهش می‌دهند، از پیکربندی از راه دور پشتیبانی می‌کنند و عیب‌یابی بلادرنگ را امکان‌پذیر می‌سازند. این قابلیت‌ها بهره‌وری تعمیر و نگهداری را افزایش می‌دهند و از راهبردهای تعمیرات پیشگویانه در کارخانه‌های صنعتی مدرن پشتیبانی می‌کنند.

بااین‌حال، سیستم‌های فیلدباس در مقایسه با سیستم‌های آنالوگ به پیکربندی پیچیده‌تر و تلاش مهندسی اولیه بیشتری نیاز دارند. با وجود این، این سیستم‌ها به استانداردی در محیط‌های مدرن اتوماسیون فرایند تبدیل شده‌اند.

انتخاب سیستم سیگنال صنعتی

برای همه کاربردها یک سیستم سیگنال واحد و برتر وجود ندارد. تأسیسات صنعتی اغلب بسته به نیازهای فرایند، فاصله و پیچیدگی سیستم، ترکیبی از روش‌های ارتباطی آنالوگ و دیجیتال را به کار می‌گیرند. این انتخاب به قابلیت اطمینان، هزینه و نیازهای عیب‌یابی بستگی دارد.

سیستم‌های مدرن اتوماسیون صنعتی، برای بهبود بهره‌وری و در عین حال حفظ سازگاری با تجهیزات ابزار دقیق آنالوگ قدیمی، بیش‌ازپیش ارتباطات فیلدباس را یکپارچه می‌کنند.

درباره نویسنده

لین های‌بین درباره سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، از جمله کنترل فرایند، ابزار دقیق و پروتکل‌های ارتباطی صنعتی می‌نویسد. تمرکز او بر یکپارچه‌سازی سیستم‌های PLC، DCS و فیلدباس در پروژه‌های اتوماسیون جهانی است.