ฟิลด์บัส

เชื่อมต่อระดับฟิลด์ด้วย Fieldbus

เครือข่ายอุตสาหกรรมอาจมีความซับซ้อน ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 เป็นที่ชัดเจนว่าการควบคุมระบบแบบดิจิทัลจำเป็นต้องมีการสื่อสารที่ปราศจากข้อผิดพลาดมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ระหว่างอุปกรณ์ที่เข้าร่วมในระบบ เพื่อทำให้ระบบทำงานโดยอัตโนมัติอย่างค่อยเป็นค่อยไป อุปกรณ์จำนวนมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้จึงควรเชื่อมต่อกับระบบควบคุม อย่างไรก็ตาม จำนวนอุปกรณ์ที่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้มักหมายถึงงานเดินสายเคเบิลที่สูงมาก เนื่องจากมีการเดินสายแบบขนานอยู่เสมอ และอุปกรณ์ที่เข้าร่วมทั้งหมดจะถูกเดินสายทีละตัวไปยังชุดควบคุม

ความต้องการเดินสายแบบอนุกรมยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น เทคโนโลยี Fieldbus ที่เปิดตัวในเวลานั้นจึงสื่อสารผ่านสายเคเบิลเพียงเส้นเดียว และถ่ายโอนข้อมูล – ในรูปแบบของบิต – ทีละรายการ แทนที่จะเป็นแบบขนาน Fieldbus คือ ระบบบัส ที่เชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์เพื่อแลกเปลี่ยนข้อมูลกับคอมพิวเตอร์ควบคุม (PLC) ซึ่งหมายความว่ามีการสร้างการเชื่อมต่อข้อมูลจาก PLC ไปยังอุปกรณ์ต่างๆ ที่เข้าร่วมโดยใช้สายบัส

ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเซ็นเซอร์, แอคทูเอเตอร์ และระดับภาคสนาม

ฟิลด์บัสส่วนใหญ่ทำงานบนหลักการมาสเตอร์-สเลฟ โดยมาสเตอร์จะรับผิดชอบการควบคุมกระบวนการ ในขณะที่สเลฟจะทำงานสื่อสารที่ได้รับมอบหมาย

ในส่วนที่ 1 มาตรฐานสากล IEC 61158 (เครือข่ายการสื่อสารทางอุตสาหกรรม – ข้อมูลจำเพาะของฟิลด์บัส) ได้กำหนดแนวคิดเบื้องหลังฟิลด์บัส และในส่วนอื่นๆ ได้กำหนดมาตรฐานระบบต่างๆ ที่สามารถติดตั้งได้ด้วยฟิลด์บัส 

โซลูชั่นที่สะดวกสบาย: ประโยชน์ของเทคโนโลยี Fieldbus

ระบบ Fieldbus สื่อสารโดยใช้สายเคเบิลเพียงเส้นเดียว ซึ่งมีข้อดีดังต่อไปนี้:

 ข้อดี 

 คำอธิบาย 

 ความเรียบง่าย 

 การสื่อสารทำได้โดยใช้สายเคเบิลเพียงเส้นเดียว ทำให้โครงการวางแผนสำหรับการติดตั้งระบบ Fieldbus รวดเร็วและง่ายดาย สายเคเบิลเส้นเดียวหมายถึงงานติดตั้งน้อยลงและตู้ควบคุมที่เรียบง่ายขึ้น 

 ความน่าเชื่อถือ 

 เส้นทางสัญญาณที่สั้นภายในระบบ Fieldbus เพิ่มความน่าเชื่อถือของการสื่อสาร เส้นทางการสื่อสารจากมาสเตอร์ไปยังสเลฟช่วยสร้างการป้องกันการชนกันโดยอัตโนมัติ 

 การป้องกันข้อผิดพลาด 

 ระบบ Fieldbus มีการป้องกันการรบกวนเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับค่าอนาล็อก นอกจากนี้ เนื่องจากความเรียบง่ายของระบบ การแก้ไขปัญหาจึงทำได้ง่ายเมื่อเกิดข้อผิดพลาด 

 การกำหนดมาตรฐาน 

 โปรโตคอลสำหรับระบบ Fieldbus ได้รับการกำหนดมาตรฐานและสามารถทำงานร่วมกับอุปกรณ์ที่แตกต่างกันจากผู้ผลิตที่แตกต่างกันได้ ในฐานะลูกค้า คุณไม่จำเป็นต้องผูกมัดกับผู้ผลิตรายเดียว 

 ความยืดหยุ่น 

 ระบบสามารถขยายได้ง่ายและสามารถเพิ่มเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์ได้อย่างยืดหยุ่น 

 การปรับปรุง 

 เทคโนโลยี Fieldbus มักจะสามารถรวมเข้ากับระบบ Ethernet ได้เป็นอย่างดี ทำให้สามารถเปลี่ยนเทคโนโลยีได้อย่างง่ายดาย 

อย่างไรก็ตาม ข้อดีของเทคโนโลยี Fieldbus ก็แตกต่างจากข้อเสีย
ซึ่งรวมถึงเวลาตอบสนองที่นานขึ้นและต้นทุนที่สูงขึ้น เนื่องจากส่วนประกอบ Fieldbus แต่ละชิ้นมีราคาแพงกว่าส่วนประกอบทางเลือกสำหรับระบบสื่อสารอย่างมาก

ทางเลือกที่เหมาะสม: คุณสมบัติของ Fieldbus

ระบบ Fieldbus มักจะไม่ถูกเลือกตามเกณฑ์ทางเทคนิค แต่จะถูกเลือกตามประเภทของตัวควบคุมเชิงตรรกะแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC) ที่ใช้ ดังนั้นผู้ผลิต PLC ทุกรายจึงชื่นชอบและปรับปรุงเทคโนโลยี Fieldbus สำหรับการใช้งานของตน เพื่อให้เซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลได้โดยไม่มีการรบกวนหรือความล่าช้า

Fieldbus ทั้งหมดมีฟังก์ชันพื้นฐานเหมือนกันในการส่งข้อมูลอินพุตและเอาต์พุตแบบวนซ้ำ ความแตกต่างทางเทคนิคระหว่างระบบ Fieldbus ต่างๆ ได้แก่:

  • ความยาวสายเคเบิลสูงสุดที่ทำได้
  • จำนวนไบต์ข้อมูลสูงสุดต่อแพ็คเกจข้อมูล
  • ขอบเขตของฟังก์ชัน
  • รูปร่างโครงสร้าง (เช่น ดาว วงแหวน ต้นไม้)
  • สื่อการส่งผ่าน (ทองแดง, ใยแก้วนำแสง, ไร้สาย)

การสื่อสารแบบแพ็คเก็ตผ่านมาตรฐานโปรโตคอล Fieldbus

เพื่อให้อุปกรณ์ภาคสนามสามารถสื่อสารกับตัวควบคุมและในทางกลับกันได้ จะต้องมีภาษาทั่วไป กรอบเงื่อนไขสำหรับการสื่อสารที่ปราศจากข้อผิดพลาดถูกกำหนดและกำหนดมาตรฐานในสิ่งที่เรียกว่าโปรโตคอล (เครือข่าย)

ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับมาตรฐานโพรโทคอล

ระบบบัสที่แตกต่างกันสามารถนำมาใช้ได้ โดยขึ้นอยู่กับข้อกำหนดทางเทคนิคที่เครือข่ายต้องปฏิบัติตามในสภาพแวดล้อมแอปพลิเคชันของคุณ

ส่วนต่อไปนี้พิจารณาการเดินสาย S/A แบบง่าย (ซึ่งเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์เข้าด้วยกัน) รวมถึง Fieldbus ที่ซับซ้อนมากขึ้น (ซึ่งสร้างเครือข่ายระหว่างอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบกระจายและอุปกรณ์ควบคุม)

ดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับมาตรฐานโปรโตคอลหลักสำหรับเทคโนโลยี Fieldbus ด้านล่างนี้:

การเดินสายเซ็นเซอร์/แอคชูเอเตอร์แบบง่าย

หากคุณต้องการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ทั่วไปกับระดับเครือข่ายที่เหนือกว่า โดยทั่วไปจะมีสายเคเบิล S/A ทองแดง รวมถึงส่วนประกอบบัสที่หลากหลายให้เลือกใช้ ในกรณีของการเดินสายเซ็นเซอร์/แอคชูเอเตอร์แบบง่าย จะมีการส่งผ่านระดับแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าแบบง่ายเท่านั้น จะไม่มีการสื่อสารแบบแพ็คเกจผ่านโปรโตคอล

AS-interface (AS-i)

AS-i (Actuator Sensor Interface) เป็นระบบ Fieldbus มาตรฐานเพียงระบบเดียวของโลกสำหรับกระบวนการระดับล่าง ด้วยพอร์ตเพียงพอร์ตเดียวและสายเคเบิลเพียงเส้นเดียวที่มีใยแก้วนำแสงบัฟเฟอร์สองเส้น ระบบการเชื่อมต่อที่เรียบง่ายนี้สามารถเชื่อมต่อเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์/โมดูล AS-i ได้สูงสุดถึง 31 ตัวเข้ากับระดับการควบคุม
ในบริบทนี้ สายเคเบิล AS-i ไม่เพียงรับผิดชอบในการแลกเปลี่ยนข้อมูลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการจ่ายไฟให้กับสเลฟด้วย สามารถทำอัตราการส่งผ่านข้อมูลแบบวนซ้ำได้ที่ ≤ 5 มิลลิวินาที โดยมีความยาวสายเคเบิล 100 เมตร ด้วยเหตุนี้ มาตรฐานอุตสาหกรรมแบบเปิดนี้ (ซึ่งไม่ได้ผูกติดกับผู้ผลิตรายใดรายหนึ่ง) จึงช่วยให้การเดินสายในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมเป็นไปอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ซึ่งท้ายที่สุดจะช่วยลดต้นทุน

AS International Association e.V. ส่งเสริมการขยายและสร้างมาตรฐานของโปรโตคอล AS-i LAPP เป็นสมาชิกของสมาคมนี้และมีบทบาทอย่างแข็งขันในการพัฒนามาตรฐานให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น

การเดินสายเครือข่ายที่ซับซ้อนขึ้น
โปรฟิบัส

PROFIBUS (Process Field Bus) เป็นมาตรฐานสำหรับการสื่อสารแบบ Fieldbus และเป็นหนึ่งใน Fieldbus ชั้นนำของโลกในปัจจุบัน โดยสามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลเป็นรอบระหว่างอุปกรณ์ที่ระดับฟิลด์ที่ต่ำกว่า (อุปกรณ์ต่อพ่วงแบบกระจายอำนาจ, สเลฟ) และหน่วยควบคุมระดับที่สูงกว่า (มาสเตอร์ส่วนกลาง) ปัจจุบัน PROFIBUS ได้กลายเป็นโปรโตคอลการสื่อสารที่สำคัญที่ใช้ในเทคโนโลยีการผลิต ตลอดจนเทคโนโลยีและวิศวกรรมกระบวนการ ระบบมาสเตอร์-สเลฟสามารถใช้ได้ทั้งสายเคเบิลแบบคู่บิดเกลียวและสายเคเบิลใยแก้วนำแสง
ความเร็วที่สูงขึ้นทำได้โดย PROFINET ซึ่งเป็นรุ่นต่อจาก PROFIBUS ด้วยโซลูชัน Ethernet
Lapp Kabel เป็นสมาชิกขององค์กรผู้ใช้งาน PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO) และมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา PROFIBUS ต่อไป
PROFIBUS มีสองรูปแบบหลักดังต่อไปนี้

PROFIBUS DP
การสื่อสารแบบ Fieldbus ในเทคโนโลยีการผลิตสามารถจัดการได้โดยใช้การตั้งค่าแบบ mono-master หรือระบบ multi-master (โดยที่มาสเตอร์หลายตัวเชื่อมต่อกับบัส) มาสเตอร์จะสอบถามข้อมูลอินพุตจากสเลฟในช่วงเวลาที่เป็นรอบและส่งคืนข้อมูลเอาต์พุต PROFIBUS

ระบบ DP มีให้เลือกหลายเวอร์ชัน:

  • DP-V0 สำหรับการสื่อสารแบบรอบ
  • DP-V1 เพิ่มเติมสำหรับการสื่อสารแบบไม่เป็นรอบ
  • DP-V2 เพิ่มเติมสำหรับฟังก์ชันเรียลไทม์แบบ isochronous การใช้การประทับเวลา และการสื่อสารแบบ slave-to-slave

PROFIBUS DP มีอัตราการส่งข้อมูล 12 Mbit/s และสามารถรวมอุปกรณ์ได้สูงสุด 126 เครื่อง (มาสเตอร์และสเลฟ) ในเครือข่ายเดียว

PROFIBUS PA
PROFIBUS PA ใช้สำหรับการสื่อสารในระบบอัตโนมัติของกระบวนการ เนื่องจากกำลังไฟมีจำกัด PROFIBUS PA จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่อาจเกิดการระเบิดได้ อัตราการส่งข้อมูล 31.25 kbit/s ช่วยให้สามารถเดินสายเคเบิลได้ยาวและมีความต้านทานสูงต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า

ชื่อของผลิตภัณฑ์ที่สอดคล้องกับ PROFIBUS จากกลุ่มผลิตภัณฑ์ UNITRONIC® ของ LAPP (สำหรับสายเคเบิล) และกลุ่มผลิตภัณฑ์ EPIC Data (สำหรับตัวเชื่อมต่อ) รวมถึงการกำหนด "BUS DP" สำหรับ PROFIBUS DP และ "PA" สำหรับ PROFIBUS PA
CANopen

มาตรฐาน CANopen ได้นำระบบ Fieldbus แบบ CAN (Controller Area Network) ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ และได้ขยายขีดความสามารถโดยการเพิ่มส่วนของการสื่อสาร ทำให้ CANopen กลายเป็นมาตรฐานโปรโตคอลแบบเปิดสำหรับใช้งานไม่เพียงแต่ในเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกมากมาย เช่น การแพทย์ ระบบราง ฯลฯ ซึ่งส่วนใหญ่พบในยุโรป

ในระบบ CAN แบบอนุกรม ข้อมูลจะถูกแลกเปลี่ยนในรูปแบบของโทรเลข ทั้งแบบเป็นรอบและแบบขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์ โดยมีการจัดการการแลกเปลี่ยนผ่านเลเยอร์สองชั้นแรกของโมเดล OSI ผู้เข้าร่วมเครือข่ายที่มีสถานะเท่าเทียมกันจะส่งข้อความของตนไปยังบัสได้อย่างอิสระด้วยอัตราการส่งข้อมูลที่ปลอดภัยสูงสุด 1 Mbit/s บนความยาวสายเคเบิล 40 เมตร ในกระบวนการนี้ ข้อมูลจะถูกแลกเปลี่ยนแบบเรียลไทม์

ในระบบ CANopen ที่มีระดับสูงกว่า มีการรวม Application Layer เพื่อให้มี Communication Profile โปรไฟล์นี้สามารถจัดการอุปกรณ์และโปรไฟล์การใช้งานของคลาสอุปกรณ์ที่ใช้ในเครือข่ายได้อย่างเป็นเอกเทศ โดยใช้ส่วนต่อประสานที่เป็นมาตรฐาน ด้วยเหตุนี้ Communication Profile จึงควบคุมว่าโทรเลขใดใช้สำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลอุปกรณ์ใด

CANopen ได้รับการดูแลโดย CiA (CAN in Automation)
CC-Link

ในเอเชีย CC-Link คือมาตรฐานอุตสาหกรรมแบบเปิดชั้นนำที่มีลักษณะเด่นด้านระบบดีเทอร์มินิสติกซึ่งใช้สำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระดับการควบคุมและการผลิต มีให้เลือกใช้ในรูปแบบที่แตกต่างกัน ในรูปแบบมาตรฐาน CC-Link เป็นระบบฟิลด์บัสที่สามารถส่งข้อมูลได้สูงสุด 10 Mbit/s ด้วยความยาวสายเคเบิลรวม 100 เมตร รวมถึงการสื่อสารแบบเรียลไทม์กับอุปกรณ์สูงสุด 64 เครื่องในเครือข่าย เนื่องจากระยะการส่งข้อมูลสามารถขยายได้สูงสุดถึง 1,200 เมตรด้วยความเร็วเครือข่ายที่ต่ำกว่า CC-Link จึงเหมาะสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ด้วย โครงสร้างที่เรียบง่ายของมาตรฐานนี้เพียงพอสำหรับงานเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติที่หลากหลาย เทคโนโลยีเครือข่ายนี้ยังถูกนำมาใช้ในยุโรปมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่เข้ากันได้กับ CC-Link จากผู้ผลิตหลายรายสามารถรวมเข้าด้วยกันได้อย่างง่ายดาย

คุณสามารถดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับรูปแบบอีเทอร์เน็ตของ CC-Link ได้ที่ CC-Link IE

CC-Link ได้รับการจัดมาตรฐานโดยองค์กรผู้ใช้ CLPA (CC-Link Partner Association)

LAPP เป็นสมาชิกของ CLPA และมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา CC-Link ต่อไป

PROFINET
ดูข้อมูลเพิ่มเติม

ส่วนต่อขยายอัจฉริยะ: IO-Link

IO-Link เป็น เทคโนโลยี IO ที่ได้มาตรฐานระดับโลก เทคโนโลยีแรก และใช้สำหรับการสื่อสารระหว่างเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ เทคโนโลยีนี้เป็นมาตรฐานสากลและกำหนดไว้ในมาตรฐาน IEC 61131-9

เทคโนโลยีนี้อ้างอิงจากการสื่อสารแบบจุดต่อจุดโดยใช้การเชื่อมต่อเซ็นเซอร์-แอคชูเอเตอร์แบบ 3 ตัวนำ IO-Link ไม่ใช่ Fieldbus แต่เป็นเทคโนโลยีการเชื่อมต่อ ซึ่งเป็นอิสระจาก Fieldbus และสามารถรวมเข้ากับ Fieldbus ทั้งหมดได้ ระบบ IO-Link ประกอบด้วยมาสเตอร์และอุปกรณ์ตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป (เซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์) มาสเตอร์ทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซสำหรับ PLC ส่วนกลางและควบคุมอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ เนื่องจากการสื่อสารแบบสองทิศทาง IO-Link จึงช่วยให้สามารถวินิจฉัยเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ขั้นสูงได้ ตัวอย่างเช่น ทำให้สามารถบำรุงรักษาอุปกรณ์จากระยะไกลได้

IO-Link โดดเด่นด้วยความเร็วในการส่งข้อมูลที่สูงถึง 4.8 kBaud, 38.4 kBaud และ 230.4 kBaud ข้อมูลจะถูกส่งอย่างรวดเร็วทีละรายการโดยใช้โปรโตคอล IO-Link เทคโนโลยีการเชื่อมต่อต้องการพื้นที่น้อย จึงช่วยให้สามารถย่อขนาดการสื่อสารอัจฉริยะระหว่างเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ได้