توضیح سیستم‌های ارتباطی آنالوگ در مقابل فیلدباس در اتوماسیون صنعتی

سیستم‌های آنالوگ در مقابل فیلدباس در اتوماسیون صنعتی

تاسیسات صنعتی اولیه کاملاً به عملیات دستی متکی بودند، جایی که هر مرحله از فرآیند نیاز به دخالت انسانی داشت. با پیشرفت اتوماسیون، سیستم‌های پنوماتیک و مکانیکی به تدریج جای خود را به ابزارهای الکترونیکی دادند. این گذار استانداردهای سیگنال آنالوگ مانند حلقه‌های جریان ۴–۲۰ میلی‌آمپر و سیگنال‌های ولتاژ ۰–۱۰ ولت DC را معرفی کرد که امروزه نیز در اتوماسیون صنعتی به طور گسترده استفاده می‌شوند.

مروری بر استانداردهای سیگنال ۴–۲۰ میلی‌آمپر و ولتاژ

حلقه جریان ۴–۲۰ میلی‌آمپر یکی از رایج‌ترین استانداردهای سیگنال صنعتی برای کنترل فرآیند است. این سیستم از رویکرد «صفر زنده» استفاده می‌کند، به طوری که ۴ میلی‌آمپر نمایانگر حداقل مقدار فرآیند و ۲۰ میلی‌آمپر نمایانگر حداکثر مقدار است. این طراحی به مهندسان کمک می‌کند تا به سرعت خطاهایی مانند مدار باز را که منجر به خوانش صفر جریان می‌شود، شناسایی کنند.

سیستم‌های مبتنی بر ولتاژ مانند ۰–۱۰ ولت DC برای کاربردهای کوتاه‌برد مناسب هستند. با این حال، سیگنال‌های ولتاژ نسبت به مقاومت خط و افت ولتاژ حساس‌ترند، به ویژه در کابل‌کشی‌های طولانی. طبق قانون اهم، ولتاژ با افزایش مقاومت سیم کاهش می‌یابد، بنابراین سیستم‌های مبتنی بر جریان برای انتقال در فواصل طولانی پایدارتر هستند.

برای اکثر سیستم‌های کنترل صنعتی، یک مقاومت ۲۵۰ اهم در مرحله ورودی PLCها یا RTUها استفاده می‌شود تا سیگنال ۴–۲۰ میلی‌آمپر را به بازه ورودی ۱–۵ ولت برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال تبدیل کند.

شکل ۱. سیم‌کشی حلقه جریان ۴–۲۰ میلی‌آمپر در سیستم‌های کنترل صنعتی.

مزایا و محدودیت‌های سیگنال‌های آنالوگ

سیستم‌های سیگنال آنالوگ سادگی و سهولت عیب‌یابی را ارائه می‌دهند. مهندسان می‌توانند جریان حلقه را مستقیماً با استفاده از ابزارهای استاندارد اندازه‌گیری کنند. مفهوم صفر زنده تشخیص خطا را بهبود می‌بخشد و در عین حال سیستم در شرایط عملیاتی برای نگهداری ایمن باقی می‌ماند.

با این حال، سیستم‌های آنالوگ نیاز به سیم‌کشی اختصاصی برای هر نقطه سیگنال دارند. این موضوع هزینه نصب را افزایش داده و مقیاس‌پذیری را در سیستم‌های بزرگ اتوماسیون کاهش می‌دهد. همچنین این سیستم‌ها فاقد قابلیت‌های پیشرفته تشخیصی بوده و نمی‌توانند داده‌های سلامت دستگاه یا پیکربندی را منتقل کنند.

ارتباط فیلدباس در اتوماسیون صنعتی

سیستم‌های فیلدباس ارتباط دیجیتال بین دستگاه‌های میدانی و سیستم‌های کنترل را معرفی می‌کنند. پروتکل‌هایی مانند Foundation Fieldbus، HART و PROFIBUS اجازه می‌دهند چندین دستگاه یک شبکه ارتباطی مشترک را به اشتراک بگذارند. این موضوع به طور قابل توجهی پیچیدگی سیم‌کشی در کارخانه‌های صنعتی را کاهش می‌دهد، به ویژه در پلتفرم‌های کنترل مدرن مانند سیستم‌های ABB 800xA و AC 800M.

برخلاف سیستم‌های آنالوگ، شبکه‌های فیلدباس هم داده‌های فرآیند و هم اطلاعات تشخیصی را منتقل می‌کنند. این امکان پیکربندی از راه دور، پایش وضعیت و نگهداری پیش‌بینی را از اتاق کنترل فراهم می‌کند.

در پیاده‌سازی‌های معمول، دستگاه‌ها با استفاده از توپولوژی تنه و شاخه متصل می‌شوند. تنه به عنوان ستون فقرات اصلی ارتباط عمل می‌کند، در حالی که شاخه‌ها دستگاه‌های میدانی فردی را متصل می‌کنند.

شکل ۲. توپولوژی فیلدباس با استفاده از معماری تنه و شاخه.

پروتکل HART و ارتباط هیبریدی

HART (مبدل راه دور قابل آدرس‌دهی بزرگراهی) یک پروتکل ارتباطی هیبریدی است که سیگنال‌های دیجیتال را بر روی حلقه‌های سنتی ۴–۲۰ میلی‌آمپر قرار می‌دهد. این پروتکل از تغییر فرکانس برای انتقال اطلاعات دیجیتال بدون تداخل با سیگنال‌های آنالوگ استفاده می‌کند.

ارتباط HART در حالت نیمه دوطرفه با سرعت ۱۲۰۰ بیت بر ثانیه و با استفاده از دو فرکانس ۱۲۰۰ هرتز برای منطق «۱» و ۲۲۰۰ هرتز برای منطق «۰» عمل می‌کند. این امکان ارتباط دوطرفه بین دستگاه‌های میدانی و سیستم‌های کنترل را فراهم می‌کند.

شکل ۳. ارتباط HART بین دستگاه اصلی و دستگاه میدانی.

مزایای سیستم‌های فیلدباس و HART

سیستم‌های فیلدباس و HART مزایای قابل توجهی نسبت به حلقه‌های آنالوگ سنتی ارائه می‌دهند. آن‌ها نیاز به سیم‌کشی را کاهش داده، پیکربندی از راه دور را پشتیبانی می‌کنند و تشخیص‌های بلادرنگ را ممکن می‌سازند. این ویژگی‌ها کارایی نگهداری را بهبود بخشیده و استراتژی‌های نگهداری پیش‌بینی را در کارخانه‌های صنعتی مدرن پشتیبانی می‌کنند.

با این حال، سیستم‌های فیلدباس نیاز به پیکربندی پیچیده‌تر و تلاش مهندسی اولیه بیشتری نسبت به سیستم‌های آنالوگ دارند. با وجود این، آن‌ها به استاندارد در محیط‌های اتوماسیون فرآیند مدرن تبدیل شده‌اند.

انتخاب سیستم سیگنال صنعتی

هیچ سیستم سیگنال واحدی برای همه کاربردها بهترین نیست. تاسیسات صنعتی اغلب از ترکیبی از روش‌های ارتباطی آنالوگ و دیجیتال بسته به نیازهای فرآیند، فاصله و پیچیدگی سیستم استفاده می‌کنند. انتخاب بستگی به قابلیت اطمینان، هزینه و نیازهای تشخیصی دارد.

سیستم‌های اتوماسیون صنعتی مدرن به طور فزاینده‌ای ارتباط فیلدباس را برای بهبود کارایی در حالی که سازگاری با ابزارهای آنالوگ قدیمی را حفظ می‌کنند، ادغام می‌کنند.

درباره نویسنده

لین هایبین در زمینه سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، از جمله کنترل فرآیند، ابزار دقیق و پروتکل‌های ارتباطی صنعتی می‌نویسد. او بر ادغام سیستم‌های PLC، DCS و فیلدباس در پروژه‌های اتوماسیون جهانی تمرکز دارد.