فیلدباس (2)

پروتکل ها و استانداردهای صنعتی

تكنولوژي ‍‍‍‍Foundation Field bus
خاصيت مهم و سودمند FF ، قابليت همكاري interoperabilily آن است. به اين معنا كه دشتگاههاي مختلف از سازندگان متفاوت قادرند از طريق آن، در يك سيستم كار كنند. سازنده اي كه مي خواهد چنين دستگاهي را توليد كند بايد با استاندارد هاي FF توافق كند و گواهي لازم را دريافت نمايد. اين مسأله كاربر را قادر مي سازد كه به سازنده خاصي محدود نباشد و خود باعث رقابت در ساخت دستگاهها وپايين آمدن قيمتها مي شود.

پشته پروتكل FF شامل سه بخش است:

لايه فيزيكي
لايه ارتباطات
لايه كاربرد
به منظور مدل كردن اين اجزاء ، از مدل OSI استفاده شده است.
لايه فيزيكي همان لايه يك OSI است. و FMS یا Fieldbus Message Specification (لايه تعريف پيغامهاي فيلد باس) متناظر با لايه هفتم OSI مي باشد. زير لايه FAS ارتباط بين FMS و DLL را فراهم مي كند . هر لايه header مربوط به خودش را به داده هاي كاربر اضافه مي كند تا پيغام به لايه فيزيكي برسد.

لايه فيزيكي مطابق استانداردهاي ISA و IEC ساخته شده است. لايه فيزيكي پيغام را از پشته پروتكلي در يافت كرده آنرا به سيگنالهاي قابل ارسال روي بستر ارتباطي فيلد باس تبديل مي كند. عمليات تبديل شامل اضافه و حذف كردن مقدمه، محدود كننده ابتدايي و محدود كننده انتهايي مي باشد. سيگنالها به روش Manchester- Biphase-L كد مي شوند . بنابراين اطلاعات زماني لازم براي همگام سازي در خود داده ها پنهان مي باشد.

پشته پروتكلي Foundation Fieldbus
لايه فيزيكي از دو نوع باس ، پشتيباني مي كند: فيلد باس H1 وفيلد باس H2. از فيلد باس H1 براي كاربردهاي كنترل دما، سطح و جريان استفاده مي شود. دستگاهها را مي توان مستقيما ً از طريق فيلد باس تغذيه نمود. سيگناليك H1 به اين صورت است كه بخش ارسال داده ها، جريان 10mA با سرعت 25/31 kbit/s توليد مي كند و با توجه به اينكه مقاومت ختم كننده ، 50 اهم است ولتاژي برابر يك ولت (peak to peak) روي خط مي افتد. اين سيگنال روي جريان DC مستقيم منبع تغذيه سوار مي شود. ولتاژ تغذيه بين 9 تا 32 ولت DC متغير است. طول فيلد باس به سرعت انتقال داده ها، اندازه سيم و توان باس بستگي دارد. مسير اصلي در صورتي كه از كابل زوج سيم تابيده با محافظ استفاده شود، نبايد از 1900 تجاوز كند. فيلد باس H2 براي كنترل پيشرفته فرآيند، ورودي – خروجي هاي راه دور و كاربرد هاي اتوماسيون سرعت بالاي كارخانه بكار مي رود. گر چه استاندارد لايه فيزيكي اجازه مي دهد توان از طريق فيلد باس توزيع شود، اما در بيشتر كاربردها دستگاههاي متصل به H2، منبع تغذيه جداگانه دارند يا از طريق كابل ديگري، توان دريافت مي كنند. مشخصات سيگناليك H2 به اين ترتيب است كه دستگاه ارسال داده، جريان 60mA با سرعت 2/5 مگابيت در ثانيه توليد مي كند. با توجه مقاومت 75 ختم كننده ها، ولتاژ97 روي خط القاء مي شود. اگر قرار باشد توان از طريق باس ارسال شود، سيگنالهي فيلد باس روي سيگنال توان 16Khz AC مدوله مي شوند. دستگاه هاي فيلد باس، همگي به مسير اصلي متصل مي شوند وبه كمك اتصال دهنده خاصي از طريق كوپل القايي سيگنالهاي داده و توان را در يافت مي كنند. در اين حالت نيازي به شكستن مسير اصلي باس به منظور اتصال دستگاهها نيست.

به دليل بالا بودن سرعت انتقال داده ها، تنها از توپولوژي باس پشتيباني مي شود و به علت پديده انعكاس ، نمي توان مانند H1 انشعابها را به مسيراصلي متصل نمود. تعداد كل وسايلي كه مي توان به H2 وصل نمود بستگي به مصرف توان ، نوع كابل و استفاده از تكرار كننده ها دارد. به منظور اتصال فيلد باسهاي منفرد H1 وH2 وساخت شبكه بزرگتر از پل ( bridge ) استفاده مي شود. وظيفه لايه LDD كنترل دسترسي به رسانه ارتباطي با استفاده از زمانبند مركزي بنام LAS مي باشد. اين پروتكل از تركيب استانداردهاي ISA و IEC براي لايه DLL بوجود آمده است.

دستگاههاي متصل به اين باس را مي توان به سه دسته تقسيم كرد:
دستگاههايي كه قادر نيستند نقش LAS را ايفا كنند.
دستگاههاي Link Master كه مي توانند LAS هم باشند.
پلهايي كه به منظور اتصال فيلد باسهاي منفرد بكار مي روند.

LAS
LAS يك ليست حاوي زمانهاي ارسال تمام بافرهاي داده موجود در دستگاههايي كه به صورت پريوديك داده ارسال مي كنند، نگهداري مي كند. هر زمان كه نوبت يك دستگاه فرا ميرسد ، LAS يك پيغام CD به آن مي فرستد. پس از دريافت CD ، دستگاه مزبور داده هاي موجود در بافرش را روي باس منتشر مي كند. دستگاههايي كه به عنوان مشترك دريافت پيغام پيكر بندي شده اند، اين داده ها را دريافت مي كنند. اين روش به منظور ارسال منظم و چرخشي داده ها ي حلقه كنترلي بين دستگاههاي متصل به فيلد باس طراحي شده است.

تمام دستگاههاي روي Fieldbus فرصت اين را دارند كه پيغامهاي خارج از نوبت و پيش بيني نشده را روي باس بفرستند. LAS با ارسال نشانه به يك دستگاه ، به آن اجازه استفاده از باس را مي دهد. وقتي دستگاه نشانه را مي گيرد، تا زماني كه ارسال پيغام شود يا مهلت نگهداري نشانه تمام شود، مي تواند به ارسال پيام ادامه دهد. اين پيغام به يك يا چندين مقصد ارسال مي شود. كل عمليات LAS به پنج گروه تقسيم مي شود:

1- زمانبندي پيغام CD : همانگونه كه قبلا ذكر شد ، كل عمليات LAS كنترل دستي به باس است. اين وظيفه بالاترين الويت را داراست وساير عمليات در فواصل ارسال زمانبندي شده، انجام مي شوند.

2- نگهداري ليست اعضاي فعال : اين ليست حاوي آدرس اعضايي است كه به Token دريافتي ، پاسخ مثبت مي دهند. هر لحظه ممكن است دستگاههاي جديدي به باس وصل شود. LAS به صورت پريوديك پيغامهاي PN را به آدرسهايي مي فرستد كه در ليستش موجود نيستند. اگر دستگاهي با آدرس مذ كور حاضر باشد، به PN پاسخ مي دهد و نامش به ليست موجود در LAS اضافه مي شود.

لازم است LAS ، پس از ارسال Token به همه اعضاي فعال ، حداقل يك پيغام PN به يك آدرس ارسال كند. دستگاهها تا زماني كه به پيغامهاي PT پاسخ صحيح مي دهند در ليست باقي مي مانند. اگر پس از سه مرتبه تلاش ، دستگاهي بدون استفاده از Token ، آنرا برگرداند، از ليست حذف مي شود. پس از انجام هر نوع تغييري در جدول، محتويات آن را براي همه دستگاههاي موجود روي باس ، منتشر مي شود.

3- همگام سازي در لايه DLL : LAS بصورت پريوديك پيغام اعلام زمان سراسري را روي شبكه منتشر مي كند تا زمان تمام دستگاهها در لايه DLL، يكسان باقي بماند. اين كار لازم است، زيرا ارتباطات زمان بندي شده بلوك هاي عملياتي در لايه كاربرد ، مبتني بر اطلاعات استخراج شده از اين پيغامها هستند.

4- ارسال Token : هر دستگاه با دريافت Token ، اجازه دارد پيغامهاي زمانبندي نشده اي را ارسال كند.

5- افزونگي LAS: هر فيلد باس، ممكن است چندين Link Master داشته باشد كه با از كار افتادن LAS جاري، جايگزين آن بشوند يعني فيلد باس به صورت فعال در زمان رخ دادن خطا [15] طراحي شده است.

لايه FMS به برنامه هاي كاربردي اجازه مي دهد كه به يكديگر از طريق فيلد باس و با استفاده از تعدادي پيغام با فرمت استاندارد، ارتباط داشته باشند. FMS، سرويس هاي ارتباطي ، فرمت پيغام ها و رفتار پروتكل براي ساخت پيغامهاي كاربر را تعريف مي كند.

پيغامهاي FMS را مي توان بر حسب وظايفشان گروه بندي كرد:

1- پيغام هايي كه مسئول برقراري و قطع ارتباط ورد كردن پيامها هستند.

2- سرويسهاي دسترسي به متغيرها از قبيل خواندن ، نوشتن، گزارش و پاك كردن اطلاعات.

3- سرويسهايي كه به برنامه كاربر اجازه مي دهند كه رخدادها را گزارش دهد و آنها را پردازش نمايد.

4- سرويسهاي down load , uphoad

5- سرويسهاي اجراي برنامه از راه دور

آنالوگ (AO)، كنترل كننده PD و PID وتناسبي تعريف شده اند. در FF-892 ،19 تابع استاندارد ديگر نيز تعريف شده است . به عنوان مثال، يك حس كننده دما، تنها شامل بلوك عملياتي AI است. يك شير كنترل ، شامل بلوك عملياتي PID وبلوك AD مي باشد. بنابراين يك حلقه كنترلي ساده با اين بلوكهاي پايه اي ساخته مي شود.

بلوكهاي Transducer بلوكهاي عملياتي را از توابع ورودي – خروجي محلي مورد نياز براي خواندن حسگرها و صدور دستورات خروجي، جدا مي كند. اين بلوكها حاوي اطلاعاتي در مورد زمان Calibration ونوع حسگرها مي باشند. معمولا به ازاي هر بلوك عملياتي ورودي – خروجي يك بلوك Transducer لازم است. پس از طراحي سيستم وانتخاب ابزار آلات، زمان پيكر بندي سيستم كنترلي به كمك اتصال وروديهاو خروجيهاي بلوكهاي عملياتي به يكديگر طبق استراتژي كنترلي مورد نظر ، فرا مي رسد. اين كار با استفاده از اشياء گرافيكي موجود در نرم افزار پيكر بندي صورت مي گيرد بدون اينكه نياز به برقراري اتصالات فيزيكي در محل باشد. پس از مشخص شدن اتصالات بلوكهاي عملياتي ، نام دستگاهها، برچسبها ونرخ اجراي حلقه هاي كنترلي، نرم افزار پيكربندي هر دستگاه را توليد مي كنند. پس از اينكه همه دستگاهها، اطلاعات را در يافت كردند، سيستم آماده كار مي شود.

عليرغم تعريف استاندارد براي فيلد باس، اين استاندارد هنوز جهاني نشده وشركتهاي توليد كننده اي وجود دارند كه ادعا مي كنند با رعايت استانداردهاي خودشان به باز دهي بهتري دست مي يابند. محصولات اين شركتها مطابق خصوصيات زير از هم متمايز مي شوند:

1. مشخصات فيزيكي نظير توپولوژي شبكه ، بستر فيزيكي ارتباط، ماكزيمم تعداد گره هاي متصل به گذرگاه و ماكزيمم طول مسير با تكرار كننده وبدون تكرار كننده.

2. مشخصات كارايي نظير مدت زمان هر سيكل بازرسي ورودي – خروجي ها، ومدت زمان ارسال هر بلوك داده اي.

3. مكانيزم انتقال نظير متدهاي ارتباط، خصوصيات ارسال ، سايز داده هاي انتقالي، متد دستيابي به بستر ارتباطي مشترك و روشهاي چك كردن خطا در پيغامها.

سهولت نصب، پذيرش جهاني و امكان انتقال توان از طريق فيل باس از ديگر مشخصات محصولات مختلف هستند اما به طور قطع نمي توان يكي از اين تكنولوژيها را به عنوان تكنولوژي برتر معرفي كرد و بسته به كاربرد ، بايد نقاط قوت وضعف هر كدام را سنجيد وابزار مناسب را انتخاب نمود.
برخی از نمونه های فیلدباس: AS-i، InterBUS و CAN Open