پروتکل های پر کابرد (1)

در این مقاله قصد داریم انواع پروتکل های ارتباطی پر کاربرد که در سیستم های کنترل و اتوماسیون کاربرد بالایی دارد را تشریح کنیم .ابتدا به توضیح پروتکل می پردازیم .

پروتکل ارتباطات (Communications Protocol)چیست :

همانطور که میدانید در اطراف ما تجهیزات و دستگاه های هوضمند فراوانی وجود دارند که هر کدام توسط یک شرکت خاص توسط استاندارد متفاوت یا به فرض اتساندارد مشترک ولی منابع و سرعت پردازش های گوناگون ساخته شده اند در نتیجه این سیستم ها نمیتوانند مستقیما به یکدیگر ارتباط برقرار کنند و نیاز به یک مجموعه قوانینی می باشد که به عنوان زبان مشترک عمل کرده و ارتباط را تسهیل نماید .یا به عبارت دیگر پروتکل ها از  طریق قوانینی که برای سیستم های قرار میدهند یک زبان مشترک ایجاد میکنند که ارتباط بین دو سیستم نا همگون و یا حتی همگون شکل بگیرد.برای معرفی پروتکل های ارتباطی نیاز است تا دو مفهوم را بدانیم .

پروتکل سری یا ارتباط سریال :

در این نوع ارتباط داده های ارتباطی به صورت سری و پشت سر هم توسط  بیت های صفر و یک در یک خط انجام میشوند .

پروتکل ارتباط پارالل یا موازی:

این نوع ارتباط مقابل ارتباط سریال وجود دارد و بیت ها به صورت موازی ارسال میشوند یعنی برای ارسال داده ها به صورت 8 بیتی نیاز به 8 خط ارتباطی بین گیرنده و فرستنده می باشد .تصویر زیر گویای این مساله می باشد

پروتکل های سری و موازی

تغییرات و تفاوت های  پروتکل ها نسبت به یکدیگر چیست ؟

1-سطح ولتاژ :یعنی در هر پروتکلی نیاز است تا سفر و یک منطقی توسط یک سطح ولتاژی مشخص شود اما اینکه چه سطح ولتاژی یکی منطقی باشد و چه ولتاژی صفر منطقی , که در هر پروتکلی این ولتاژ تعریف خودش را دارد .

2-نحوه انتقال دیتا و راه های تایید اطلاعات ارسالی : در هر پروتکلی  پروتکل ها یک تغییر فیزیکی نیز نسبت به یکدیگر دارند و آن این است که دیتا توسط چه پایه هایی و چه تعداد پایه  ارسال و دریافت و چگونه تایید شود که اطلاعات صحیح است .

چه نیازی است که سطوح ولتاژ در پروتکل های مختلف متفاوت  باشد یا اصلا چه نیازی به پروتکل های مختلف است ؟در گذشته که اطلاعات توسط پروتکل موازی انجام میشد که قبل تر توضیحاتی دادیم به دلیل اینکه تعداد سیم زیادی برای ارسال و دریافت اطلاعات نیاز بود هزینه و زحمت سیم کشی را زیاد میکرد و این مقدار سیم نیز مسلما نویز بیشتری خواهند گرفت بعد از به حاشیه رفتن پروتکل موازی شرکت های مختلف روی ارتباط سریال کار کردن که مسال حذف نویز را روی ارتباط سریال نداشته باشند هر یک براساس مطلاعات خود با تغییرات  ولتاژ و نحوه انتفال دیتا روشی را ارئه داد یا به عبارتی پروتکلی را ارائه داد ولی با گسترش سیستم های کامپیوتری نیاز بود پروتکل های مشترکی توسعه داده شوند که اکثر سیستم های قابلیت خواندن و نوشتن را توسط آن داشته باشند که در ادامه این پروتکل ها را شرح خواهیم داد .  

پروتکل RS232  :

یکی از معروف ترین پروتکل های سریال پروتکل RS232 می باشد که در این پروتکل سطح ولتاژ برای انتقال دیتا +13 تا -13 می باشد.البته این بازه میتواند -/+3 تا +/-25 باشد.طبق این استاندارد در صورتی که ولتاژ بالاتر از +3 یاشد یعنی صفر منطقی و درصورتی که ولتاژ پایین تر از -3 باشد یعنی صفر منطقی.

پروتکل سریال

از لحاظ فیزیکی این پروتکل از طریق سه سیم ارسال و دریافت دیتا خواهد داشت .RX برای خواندن اطلاعات TX برای ارسال اطلاعات و GND  (زمین).از دیگر ویژگی های این پروتکل این است که اطلاعات را در فواصل کم و سرعت کم انتقال میدهد.

پروتکل RS485 :

یکی دیگر از استاندارد های بسیار پر کابرد در صنعت استاندارد RS485  می باشد .این پروتکل دیگرهمانند RS232 روی ارتباط دو دستگاه با یکدیگر تمرکز ندارد بلکه با این پروتکل میتوان  حتی بیش از دو دستگاه را به یکدیگر ارتباط داد اما شیوه عملکرد در پروتکل RS485 چگونه است و دراین پروتکل به صورت تفاضلی عمل میکند یعنی برای ارسال یک دیتا از دو خط استفاده میشود در یک خط سطح ولتاژ منطقی خاصی ارسال و در خط دوم عکس آن ارسال می شود در پایان خط گیرنده تفاضل دو خط را خواهد گرفت به این صورت نویزهای محیط که به صورت مشترک روی دو سیم 1 و 2 قرار می گیرند در ورودی گیرنده تفاضلی حذف می شونداما سیگنال اصلی که با دامنه معکوس روی دو سیم ارسال شده اند با صحت کامل در گیرنده دریافت می شوند. همچنین به این شیوه اثر تشعشع خط فرستنده روی گیرنده نیز از بین می رود.

پروتکل RS485

همانطور که در تصویر بالا مشاهده میکنید یکخط به عنوان خط اصلی حامل دیتا و خط دوم به صورت تفاضلی خط اصلی را تایید خواهد کرد.

سطح منطقی یک از منفی 200میلی ولت کوچکتر است و سطح منطقی صفر از مثبت 200میلی ولت بزرگتر است. یک سطح ولتاژ در یک خط انتقال نوعی از حداقل مثبت /منفی 1.5ولت و تا حداکثر مثبت /منفی 6 ولت هستند. میزان حساسیت ورودی گیرنده مثبت /منفی 200میلی ولت است یعنی نویزهای در محدوده ی مثبت /منفی 200میلی ولت روی خط انتقال دیتا بی تاثیر هستند.
همانطور که گفتیم پروتکل RS485 میتواند به صورت شبکه تجهیزات مختلفی را به یکدیگر ارتباط دهد در نتیجه RS485 به عنوان یک بستر مجدد در اختیار شرکت های توسعه دهنده قرار گرفت و بر اساس نیاز پروتکل هایی بر بستر RS485 شکل گرفت که چند مورد از پروتکل های پر کابرد را توضیح خواهیم داد .

پروتکل مد باس (modbus):

یک پروتکل open source می باشد که ایتدا برای ارتباط بین PLC ها ایجاد شد ولی بعد ها با گسترش آن در اکثر تجهیزات صنعتی فراگیر شد .مد باس به طور کلی با هدف ارتباط طیفی وسیعی از تجیهزات کنترلی شامل سنسورها ,میتر ها ,HMI ,PLC و… شکل گرفته است . مزیت اصلی Modbus این است که می تواند تقریبا تمام رسانه های ارتباطی را اجرا کند از جمله زوج سیم های به هم تابیده(twisted pair wires)، بی سیم، فیبر نوری، اترنت، مودم های تلفن، تلفن های همراه و مایکروویو که به این معنی است که اتصال مدباس را می توان به راحتی در یک کارخانه جدید یا موجود تاسیس یا اجرا کرد این پروتکل اجازه می دهد تا بین بسیاری از دستگاه ها ( درحدود 240 دستگاه) متصل در همان شبکه ارتباط برقرار شود.مدباس اغلب برای اتصال یک کامپیوتر نظارت با یک پایانه ی راه دور (RTU:remote terminal unit) در سیستم های کنترل نظارت و جمع آوری اطلاعات (SCADA) استفاده می شود.

مد باس

در شبکه مدباس نحوه کار به صورت MASTER و SLAVE است به این معنی که در شبکه باید یک دستگاه به عنوان مستر (MASTER ) دستگاه اصلی باشد که وظیفه خواندن اطلاعات همه SLAVE ها را دارد ودر اصل MASTER است که از SLAVE ها میخواهد که اطلاعات خود را ارسال کنند و تنها SLAVE که درخواست برای ان ارسال شده میتواند پاسخ دهد .
به طور کلی سه ویرایش از مدباس موجود می باشد :

  1. Modbus ASCII
  2. Modbus RTU
  3. Modbus / TCP

تعریف چند اصطلاح پر  کابرد در بخش  پروتکل های سریال :

ارتباط نیمه دو طرفه

ارتباط ساده ( Simplex ) :

در صورتی که در سیستم ما فرستنده و گیرنده ثابت باشند و اطلاعات در کل پروسه فعالیت در یک سمت باشد یعنی از فرستنده به گیرنده ارتباط ساده یا SIMPELX است همانند سنسور ها که همیشه فرستنده هستند و پردازشگر که گیرنده است به عنوان مثال سنسور التراسونیک.
ارتباط نیمه دو طرفه (Half Duplex):

در این نوع ارتباط ، داده در هر دو جهت انتقال پیدا می‏کند پس دستگاه در هر لحظه میتواند به عنوان فرستنده و یا گیرنده عمل کند.به عنوان مثال می‏توان پروتکل RS485 که در اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق کاربرد فراوانی دارد.البته این نکته را در نظر بگیرید که در Half Duplex برای مثال یک دستگاه میتواند اطلاعات یا درخواست ارسال و پس از پایان ارسال به صورت گیرنده اطلاعات دریافت کند یعنی در هر زمان فقط میتواند یا گیرنده باشد یا فرستنده .
ارتباط تمام دو طرفه (Full Duplex):

در این روش همانند روش قبل هر دستگاه میتواند هم فرستنده باشد هم گیرنده ولی با این تفاوت که Half Duplex هر دستگاه در هر لحظه تنها یک نقش را میتوانست بر عهده داشته باشد اما در این روش دستگاه در یک لحظه هم میتواند دریافت کند و هم ارسال به عنوان مثال می‏توان پروتکل RS422 که در صنایع مورد استفاده قرار می‏گیرد را در نظر گرفت.
نرخ انتقال اطلاعات (Bit per Second) :
همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد تجهیزات دارای سرعت پردازش متفاوت میباشند در نتیجه می باشد در نتیجه در پروتکل این مساله باید دیده شود به همین دلیل در ارتباطات سریال مفهومی به نام نرخ انتقال وجود دارد تا دستگاه هایمتصل با سرعت مشخصی ارسال و دریافت داشته باشند تا داده ها به صورت صحیح ارسال و دریافت شوند وتداخلی در ارسال و دیافت ایجاد نشود.

:در صورتی که در سیستم ما فرستنده و گیرنده ثابت باشند و اطلاعات در کل پروسه فعالیت در یک سمت باشد یعنی از فرستنده به گیرنده ارتباط ساده یا SIMPELX است همانند سنسور ها که همیشه فرستنده هستند و پردازشگر که گیرنده است به عنوان مثال سنسور التراسونیک.
ارتباط نیمه دو طرفه (Half Duplex): در این نوع ارتباط ، داده در هر دو جهت انتقال پیدا می‏کند پس دستگاه در هر لحظه میتواند به عنوان فرستنده و یا گیرنده عمل کند.به عنوان مثال می‏توان پروتکل RS485 که در اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق کاربرد فراوانی دارد.البته این نکته را در نظر بگیرید که در Half Duplex برای مثال یک دستگاه میتواند اطلاعات یا درخواست ارسال و پس از پایان ارسال به صورت گیرنده اطلاعات دریافت کند یعنی در هر زمان فقط میتواند یا گیرنده باشد یا فرستنده .
ارتباط تمام دو طرفه (Full Duplex): در این روش همانند روش قبل هر دستگاه میتواند هم فرستنده باشد هم گیرنده ولی با این تفاوت که Half Duplex هر دستگاه در هر لحظه تنها یک نقش را میتوانست بر عهده داشته باشد اما در این روش دستگاه در یک لحظه هم میتواند دریافت کند و هم ارسال به عنوان مثال می‏توان پروتکل RS422 که در صنایع مورد استفاده قرار می‏گیرد را در نظر گرفت.
نرخ انتقال اطلاعات (Bit per Second) ::
همانطور که در ابتدای مقاله اشاره شد تجهیزات دارای سرعت پردازش متفاوت میباشند در نتیجه می باشد در نتیجه در پروتکل این مساله باید دیده شود به همین دلیل در ارتباطات سریال مفهومی به نام نرخ انتقال وجود دارد تا دستگاه هایمتصل با سرعت مشخصی ارسال و دریافت داشته باشند تا داده ها به صورت صحیح ارسال و دریافت شوند وتداخلی در ارسال و دیافت ایجاد نشود.

بحث پروتکل ها بحثی وسیع می باشد که در یک پست نمیتوان حق مطلب را ادا کرد فلذا در پست های بعدی حتما مطالب تکمیلی ارائه خواهد شد .

این مطلب توسط سایت تخصصی برق (www.g-m-u.ir) تالیف شده است و درصورت انتشار حتما لینک و نام منبع ذکر شود.