فیلدباس یا کنترل توریع شده

تصور کنید در یک کارخانه پیشرفته، هزاران سنسور، عملگر و دستگاه‌های کنترلی در حال فعالیت هستند. داده‌ها باید از تجهیزات میدانی جمع‌آوری شوند؛ به سیستم مرکزی ارسال گردند و تصمیمات کنترلی به‌سرعت اجرا شوند. اما چگونه می‌توان این حجم عظیم از اطلاعات را بدون اتلاف وقت، با کمترین سیم‌کشی و بیشترین دقت منتقل کرد؟

در گذشته، هر دستگاه نیازمند یک اتصال مستقیم به کنترلر مرکزی بود؛ کابلی برای هر سنسور، هر عملگر، هر سیگنال. اما حالا، دنیای کنترل صنعتی متحول شده است. سیستمی که نه‌تنها ارتباط بین تجهیزات را ساده‌تر کرده، بلکه باعث افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها شده است. این سیستم که فیلد باس نامیده می‌شود؛ همان چیزی است که امروزه در قلب صنایع پیشرفته جای دارد و مسیر آینده اتوماسیون را تعیین می‌کند.

خرید تجهیزات اتوماسیون صنعتی سازگار با فیلدباس، امروزه به یکی از ضرورت های اتوماسیون صنعتی تبدیل شده است.

آمازون ابزار، تامین کننده ای است که برای خرید تجهیزات ابزار دقیق سازگار با فیلدباس، می‌توانید با اطمینان خاطر روی آن حساب کنید.

تاریخچه سیستم‌های کنترل صنعتی

از ابتدای انقلاب صنعتی، انسان به دنبال روش‌هایی برای کنترل فرآیندهای تولیدی بوده است. در ابتدا، سیستم‌های کنترل به‌صورت مکانیکی و با استفاده از ابزارهای ساده مانند شیرها و مکانیزم‌های هیدرولیکی انجام می‌شد. با پیشرفت تکنولوژی و ظهور سیستم‌های الکترونیکی در قرن بیستم، کنترلرهای آنالوگ و رله‌های الکتریکی به‌کار گرفته شدند که به صنایع امکان کنترل خودکار فرآیندها را داد. در ادامه، سیستم‌های کنترل مستقیم دیجیتال (DDC) معرفی شدند که با استفاده از کامپیوترهای اولیه، دقت و کارایی سیستم‌های کنترل را افزایش دادند. اما این سیستم‌ها همچنان به کنترل متمرکز وابسته بودند که محدودیت‌هایی در مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری ایجاد می‌کرد.

با گذر زمان، نیاز به سیستم‌های کنترل انعطاف‌پذیرتر باعث توسعه کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) شد که امکان برنامه‌ریزی و کنترل فرآیندهای مختلف را به‌صورت جداگانه فراهم کرد. سپس، سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) معرفی شدند که پردازش داده‌ها را بین واحدهای مختلف تقسیم کرده و کنترل فرآیندها را بهبود بخشیدند. در نهایت، با ظهور سیستم‌های کنترل مبتنی بر فیلدباس (FCS)، دستگاه‌های فیلدی (سنسورها و عملگرها) مستقیماً از طریق شبکه‌های صنعتی با سیستم کنترل ارتباط برقرار کردند، که این امر موجب کاهش سیم‌کشی، افزایش انعطاف‌پذیری، و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های کنترل صنعتی شد.

فیلدباس چیست؟

فیلدباس (Fieldbus) یک سیستم ارتباطی دیجیتال است که در اتوماسیون صنعتی برای برقراری ارتباط بین تجهیزات فیلدی (سنسورها، عملگرها و کنترلر ها) استفاده می‌شود. 

برخلاف سیستم‌های سنتی که در آن‌ها هر دستگاه به‌صورت نقطه‌به‌نقطه (Point-to-Point) و با سیم‌کشی مجزا به کنترلر متصل می‌شد؛ در فیلدباس تمام تجهیزات روی یک شبکه مشترک به یکدیگر متصل می‌شوند. این تغییر باعث کاهش تعداد سیم‌ها، افزایش قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های کنترل صنعتی شده است.

مزایای استفاده از فیلدباس در مقایسه با روش‌های قدیمی

• کاهش هزینه‌های سیم‌کشی و نصب: در سیستم‌های سنتی، برای هر سنسور یا عملگر نیاز به کابل‌کشی جداگانه بود، اما در فیلدباس، یک کابل مشترک برای چندین دستگاه استفاده می‌شود.

• افزایش انعطاف‌پذیری و مقیاس‌پذیری: با اضافه شدن دستگاه‌های جدید، نیازی به تغییرات گسترده در سیم‌کشی نیست، درحالی‌که در سیستم‌های سنتی، هر تجهیز جدید نیاز به سیم‌کشی اضافه دارد.

• افزایش قابلیت اطمینان و کاهش خطاهای الکتریکی: کاهش تعداد سیم‌ها به کاهش احتمال قطعی، نویز الکتریکی و مشکلات ارتباطی کمک می‌کند.

• بهبود نظارت و عیب‌یابی: تجهیزات متصل به فیلدباس می‌توانند اطلاعات وضعیت، عملکرد و هشدارهای خرابی را به سیستم مرکزی ارسال کنند، درحالی‌که در روش‌های سنتی، تشخیص عیب نیاز به بررسی دستی داشت.

• ارتباط دوطرفه: در سیستم‌های سنتی، داده‌ها فقط از سنسورها به کنترلر ارسال می‌شد، اما در فیلدباس، ارتباط دوطرفه امکان برنامه‌ریزی و پیکربندی مجدد تجهیزات از راه دور را فراهم می‌کند.

معرفی مدل OSI و جایگاه فیلدباس

مدل  OSI یا Open Systems Interconnection، یک چارچوب استاندارد برای تعیین نحوه ارتباطات شبکه‌ای است که از هفت لایه تشکیل شده است. فیلدباس معمولاً در لایه‌های فیزیکی، پیوند داده و لایه شبکه عمل می‌کند:

1. لایه فیزیکی (Physical Layer): شامل نوع کابل، نرخ انتقال داده و نحوه ارسال سیگنال‌ها است.

2. لایه پیوند داده (Data Link Layer): تعیین‌کننده ساختار فریم داده، کنترل دسترسی به رسانه (MAC) و تشخیص خطا در انتقال داده‌ها است.

3. لایه شبکه (Network Layer): در برخی از پروتکل‌های فیلدباس، وظیفه آدرس‌دهی و مسیریابی داده‌ها را بر عهده دارد.

فیلدباس با استفاده از این لایه‌ها، یک بستر کارآمد برای ارتباطات صنعتی فراهم می‌کند که سرعت بالا، دقت و اطمینان در انتقال داده‌ها را تضمین می‌کند.

انواع پروتکل فیلدباس

در سیستم‌های کنترل صنعتی، چندین پروتکل فیلدباس توسعه یافته‌اند که هر کدام ویژگی‌های منحصربه‌فردی برای کاربردهای خاص دارند. در ادامه، سه پروتکل مهم یعنی HART، FOUNDATION Fieldbus H1 و Profibus PA معرفی شده‌اند.

انتخاب پروتکل مناسب به نوع صنعت، الزامات ارتباطی و نیازهای کنترلی بستگی دارد.طبق جدول بالا، HART گزینه‌ای مناسب برای تجهیزاتی است که هنوز از سیستم‌های آنالوگ 4-20mA استفاده می‌کنند و میتوان از هارت کامونیکیتور برای برقراری ارتباط و تست کردن آنها استفاده کرد.

 FOUNDATION Fieldbus H1 برای سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) و کنترل‌های پیچیده بهینه است، در حالی که Profibus PA به دلیل امنیت بالا و سازگاری با محیط‌های خطرناک در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی کاربرد گسترده‌ای دارد.

سطوح مختلف سیستم کنترل فیلدباس

معماری فیلدباس معمولاً به سه سطح اصلی تقسیم می‌شود:

1.  سطح فیلد  فیلدباس (Field Level)

این سطح شامل سنسورها، عملگرها و کنترلرهای محلی است که داده‌ها را جمع‌آوری کرده و عملیات اجرایی را انجام می‌دهند. برخی از تجهیزات این سطح شامل موارد زیر هستند:

•  سنسورها: مانند ترانسمیترهای فشار، دما و جریان که اطلاعات فرآیند را اندازه‌گیری می‌کنند.

•  عملگرها: مانند شیرهای کنترلی و موتورها که دستورات کنترلی را اجرا می‌کنند.

•  کنترل‌کننده‌های فیلدی: برخی پروتکل‌های فیلدباس مانند FOUNDATION Fieldbus H1 و Profibus PA به دستگاه‌های فیلدی این امکان را می‌دهند که توابع کنترلی را به‌طور مستقل اجرا کنند.

2.  سطح کنترل فیلدباس (Control Level)

این سطح شامل کنترلرها، PLC ها و  DCSها است که داده‌های جمع‌آوری‌شده از سطح فیلد را پردازش کرده و تصمیمات کنترلی را اتخاذ می‌کنند.

3.  سطح میزبان فیلدباس (Host Level)

این سطح شامل سرورها، نرم‌افزارهای نظارتی (SCADA)، و ایستگاه‌های مدیریتی است که بر عملیات صنعتی نظارت کرده و تحلیل‌های پیشرفته را انجام می‌دهند.

 دانلود PDF شبکه های صنعتی

اگر به دنبال مطالعه جامع در این زمینه هستید، می‌توانید از جزوه شبکه‌های صنعتی و منابع تخصصی مرتبط مانند شبکه‌های صنعتی pdf برای افزایش دانش خود استفاده کنید. 

توپولوژی‌های شبکه‌های فیلدباس

در سیستم‌های کنترل صنعتی مبتنی بر فیلدباس، توپولوژی شبکه نقش مهمی در نحوه اتصال و ارتباط تجهیزات دارد. بسته به نوع کاربرد و نیازهای کنترلی، از توپولوژی‌های مختلفی مانند Point-to-Point، Daisy Chain و ترکیبی استفاده می‌شود.

 

انتخاب توپولوژی مناسب بستگی به نوع فرآیند صنعتی، میزان دسترسی‌پذیری موردنیاز، هزینه‌های سیم‌کشی و الزامات کنترلی دارد.

برای سیستم‌های کوچک، Point-to-Point یا Daisy Chain کافی است، اما در صنایع بزرگ و حساس، Bus، Ring یا توپولوژی ترکیبی برای افزایش پایداری و مقیاس‌پذیری توصیه می‌شود.

چالش‌های فعلی در استفاده از فیلدباس

• سازگاری و یکپارچگی سیستم‌ها

با وجود پروتکل‌های متعدد فیلدباس مانند HART، Profibus، و FOUNDATION Fieldbus، هماهنگ‌سازی بین سیستم‌های مختلف صنعتی به یک چالش بزرگ تبدیل شده است. هرکدام از این پروتکل‌ها دارای ساختار ارتباطی، روش انتقال داده و استانداردهای خاص خود هستند که باعث می‌شود تجهیزات برندهای مختلف به‌سادگی با یکدیگر کار نکنند. این موضوع در صنایعی که از تجهیزات چندین برند مختلف (Multi-vendor) استفاده می‌کنند، مشکلات سازگاری و یکپارچگی ایجاد کرده و هزینه‌های پیاده‌سازی و نگهداری را افزایش می‌دهد. در برخی موارد، برای حل این مشکل، به گیت‌وی‌ها (Gateway) و تبدیل‌کننده‌های پروتکل نیاز است که هزینه‌ها و پیچیدگی سیستم را افزایش می‌دهد.

 پیچیدگی نصب و پیکربندی
یکی از چالش‌های دیگر فیلدباس، نیاز به مهارت‌های تخصصی برای نصب، راه‌اندازی، پیکربندی و عیب‌یابی این سیستم‌ها است. برخلاف سیستم‌های سنتی که از ارتباطات آنالوگ ساده استفاده می‌کردند، در شبکه‌های فیلدباس پارامترهای زیادی مانند آدرس‌دهی، تنظیمات بستر ارتباطی، و تنظیمات کنترلی پیشرفته باید به‌درستی پیکربندی شوند. این موضوع باعث شده تا شرکت‌ها و صنایع به متخصصان آموزش‌دیده نیاز داشته باشند. با این حال، کمبود نیروی ماهر در برخی مناطق، به‌خصوص در صنایع کوچک و متوسط، چالشی جدی در بهره‌برداری صحیح از این فناوری ایجاد کرده است.

محدودیت‌های سرعت و پهنای باند
بسیاری از پروتکل‌های قدیمی فیلدباس مانند Profibus PA و FOUNDATION Fieldbus H1 نرخ انتقال داده پایینی (حدود 31.25 kbps) دارند. این میزان برای بسیاری از کاربردهای مدرن صنعتی، به‌ویژه در سیستم‌های کنترلی پیشرفته، پردازش تصویر، و اینترنت صنعتی اشیا (IIoT) کافی نیست. افزایش حجم داده‌های صنعتی، نیاز به جمع‌آوری اطلاعات از تعداد بیشتری از سنسورها، و پردازش آنی داده‌ها، فشار زیادی بر این سیستم‌های کم‌سرعت وارد کرده است. در نتیجه، بسیاری از شرکت‌ها به سمت پروتکل‌های پرسرعت‌تر مانند PROFINET، EtherNet/IP و Modbus TCP حرکت می‌کنند که پهنای باند بالاتر، تأخیر کمتر، و عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند.

امنیت سایبری
شبکه‌های فیلدباس سنتی در ابتدا با درنظر گرفتن امنیت سایبری طراحی نشده بودند، زیرا در گذشته اکثر سیستم‌های صنعتی ایزوله و غیرمتصل به اینترنت بودند. اما امروزه، با گسترش IIoT (اینترنت صنعتی اشیا) و Industry 4.0، بسیاری از این سیستم‌ها به شبکه‌های ابری و اینترنت متصل شده‌اند که آن‌ها را در معرض حملات سایبری و تهدیدات امنیتی قرار می‌دهد. مهاجمان می‌توانند از نقاط ضعف موجود در پروتکل‌های قدیمی برای دسترسی غیرمجاز، تغییر داده‌های کنترلی، یا حتی ایجاد خرابی در تجهیزات صنعتی سوءاستفاده کنند. به همین دلیل، نیاز به روش‌های امنیتی جدید مانند رمزنگاری داده‌ها، فایروال‌های صنعتی، و احراز هویت چندمرحله‌ای بیش از پیش احساس می‌شود.

پایان عمر برخی فناوری‌های قدیمی
فناوری‌های مبتنی بر فیلدباس سنتی به‌مرور در حال منسوخ شدن هستند، زیرا بسیاری از شرکت‌ها و صنایع در حال حرکت به سمت پروتکل‌های شبکه‌ای مبتنی بر اترنت (Ethernet-Based) مانند PROFINET، EtherNet/IP و Modbus TCP هستند. این پروتکل‌ها نه‌تنها سرعت و پهنای باند بیشتری دارند، بلکه قابلیت‌های پیشرفته‌تری مانند امنیت بهتر، ارتباط بی‌سیم، و مدیریت داده‌های پیچیده را نیز ارائه می‌دهند. با توجه به اینکه شرکت‌های بزرگ اتوماسیون صنعتی تمرکز خود را روی توسعه فناوری‌های جدید قرار داده‌اند، برخی از پروتکل‌های قدیمی فیلدباس ممکن است دیگر پشتیبانی رسمی دریافت نکنند، و این موضوع باعث می‌شود که صنایع به‌ناچار برای به‌روزرسانی سیستم‌های کنترلی خود برنامه‌ریزی کنند.

نتیجه‌گیری

فیلدباس به‌عنوان یک فناوری ارتباطی دیجیتال در سیستم‌های کنترل صنعتی، نقش بسیار مهمی در بهینه‌سازی فرآیندهای تولید و افزایش کارایی تجهیزات ایفا می‌کند. اگر بخواهیم به این پرسش پاسخ دهیم که فیلدباس چیست، باید بگوییم که این فناوری نوعی شبکه صنعتی است که امکان ارتباط سنسورها، عملگرها و سیستم‌های کنترل توزیع شده را از طریق یک بستر مشترک فراهم می‌کند. این موضوع باعث می‌شود که سیستم‌های کنترلی با سیم‌کشی کمتر، هزینه‌های پایین‌تر، قابلیت اطمینان بیشتر و انعطاف‌پذیری بالاتر نسبت به روش‌های سنتی عمل کنند.

با پیشرفت شبکه‌های صنعتی، پروتکل‌های مختلفی برای فیلدباس معرفی شده‌اند که هرکدام ویژگی‌های خاص خود را دارند. با این حال، چالش‌هایی مانند سازگاری بین پروتکل‌های مختلف، پیچیدگی نصب و پیکربندی، محدودیت‌های پهنای باند و امنیت سایبری همچنان در مسیر توسعه و استفاده از فیلدباس وجود دارند.

در نهایت، فیلدباس همچنان یکی از مؤلفه‌های کلیدی در شبکه‌های صنعتی محسوب می‌شود و یادگیری آن برای مهندسان و متخصصان صنعت اتوماسیون و کنترل ضروری است.

آمازون ابزار ، یکی از تامین کنندگان معتبر ابزار دقیق و تجهیزات اتوماسیون صنعتی سازگار با فیلد باس است که شما می‌توانید به سادگی ابزار دقیق و تجهیزات مورد نیاز خود را از این سایت تامین نمایید.

سوالات پر تکرار

 1. فیلدباس چیست و چه تفاوتی با روش‌های سنتی دارد؟

فیلدباس یک سیستم ارتباطی دیجیتال برای شبکه‌های صنعتی است که به جای سیم‌کشی نقطه‌به‌نقطه، از یک بستر مشترک برای ارتباط بین سنسورها، عملگرها و کنترلرها استفاده می‌کند. این روش باعث کاهش سیم‌کشی، افزایش قابلیت اطمینان و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های کنترلی می‌شود.

2. مهم‌ترین مزایای استفاده از فیلدباس چیست؟

کاهش هزینه‌های سیم‌کشی، افزایش انعطاف‌پذیری، بهبود نظارت و عیب‌یابی، کاهش خطاهای ارتباطی و امکان ارتباط دوطرفه بین تجهیزات و سیستم کنترل.

3. چالش‌های اصلی استفاده از فیلدباس در صنایع چیست؟
 مشکلات سازگاری بین پروتکل‌های مختلف، پیچیدگی در نصب و پیکربندی، محدودیت پهنای باند برخی پروتکل‌های قدیمی، و تهدیدات امنیت سایبری در شبکه‌های متصل به اینترنت.