รายละเอียดทางเทคนิคของ Fieldbus

Fieldbus คือเครือข่ายการสื่อสารข้อมูลเฉพาะทางที่ใช้ในระบบอัตโนมัติและระบบควบคุมอุตสาหกรรม ทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมการสื่อสารที่สำคัญระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามและระบบควบคุม Fieldbus มีบทบาทสำคัญในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมสมัยใหม่ บทความนี้จะเจาะลึกรายละเอียดทางเทคนิคของ Fieldbus รวมถึงสถาปัตยกรรมเครือข่าย หลักการสื่อสาร รูปแบบเฟรมข้อมูล สแต็กโปรโตคอล และประเภทอุปกรณ์ เพื่อช่วยให้ผู้อ่านเข้าใจและนำเทคโนโลยีที่สำคัญนี้ไปใช้ได้ดียิ่งขึ้น

สถาปัตยกรรมเครือข่าย Fieldbus และโครงสร้าง

สถาปัตยกรรมเครือข่าย

เครือข่าย Fieldbus โดยทั่วไปจะใช้สถาปัตยกรรมระบบควบคุมแบบกระจาย ซึ่งแตกต่างจากระบบควบคุมแบบรวมศูนย์แบบเดิม อุปกรณ์ภาคสนามแต่ละชิ้น (เช่น เซ็นเซอร์และตัวกระตุ้น) มีไมโครโปรเซสเซอร์ในตัวที่สามารถประมวลผลข้อมูลโดยตรงและดำเนินการควบคุมงานได้ ตัวควบคุมสื่อสารกับอุปกรณ์ภาคสนามเหล่านี้ผ่านเครือข่าย Fieldbus โดยแลกเปลี่ยนข้อมูลและคำสั่ง

โทโพโลยี

เครือข่ายฟิลด์บัสรองรับโทโพโลยีต่างๆ รวมถึงโครงสร้างบัส ดาว วงแหวน และต้นไม้ โทโพโลยีบัสเป็นโทโพโลยีที่พบเห็นได้ทั่วไปที่สุด โดยอุปกรณ์ทั้งหมดเชื่อมต่อผ่านแบ็คโบนตัวเดียว สายเคเบิล โดยสร้างบัสสื่อสาร โทโพโลยีแบบดาวเชื่อมต่ออุปกรณ์แต่ละชิ้นเข้ากับฮับกลางด้วยสายเคเบิลแต่ละเส้น ในขณะที่โทโพโลยีแบบวงแหวนเชื่อมต่ออุปกรณ์ทั้งหมดในวงจรปิดเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือและความซ้ำซ้อนของเครือข่าย

หลักการสื่อสารแบบฟิลด์บัส

เครือข่ายฟิลด์บัสใช้กลไกควบคุมการเข้าถึงแบบแบ่งเวลาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างอุปกรณ์อย่างเป็นระเบียบ ต่อไปนี้คือหลักการสื่อสารที่สำคัญบางประการ:

การสื่อสารระหว่างนายกับทาส

ในเครือข่าย Fieldbus โดยทั่วไปจะมีอุปกรณ์หลักหนึ่งตัว (สถานีหลัก) และอุปกรณ์สเลฟหลายตัว (สถานีสเลฟ) อุปกรณ์หลักจะจัดการเครือข่าย เริ่มคำขอการสื่อสาร และอุปกรณ์สเลฟจะตอบสนองต่อคำขอของมาสเตอร์ในการส่งข้อมูล

การสื่อสารแบบเป็นระยะและไม่เป็นระยะ

Fieldbus รองรับการสื่อสารสองประเภท ได้แก่ แบบเป็นระยะและแบบไม่เป็นระยะ การสื่อสารแบบเป็นระยะใช้สำหรับแลกเปลี่ยนข้อมูลควบคุมและสถานะเป็นประจำ เพื่อให้แน่ใจว่าระบบทำงานตามเวลาจริงและมีความเสถียร การสื่อสารแบบไม่เป็นระยะใช้สำหรับส่งข้อมูลการวินิจฉัย พารามิเตอร์การกำหนดค่า และข้อมูลอื่นๆ ที่ไม่จำเป็นต้องอัปเดตบ่อยๆ

รูปแบบเฟรมข้อมูลฟิลด์บัส

เฟรมข้อมูลฟิลด์บัสเป็นหน่วยพื้นฐานของการส่งข้อมูลในเครือข่าย เฟรมข้อมูลฟิลด์บัสทั่วไปประกอบด้วยส่วนต่างๆ ต่อไปนี้:

1. ตัวกำหนดเส้นแบ่งเริ่มต้น: ทำเครื่องหมายจุดเริ่มต้นของเฟรมข้อมูล

2. ช่องที่อยู่: ระบุที่อยู่ของอุปกรณ์เป้าหมาย

3. ช่องควบคุม: ประกอบด้วยประเภทเฟรมและข้อมูลการควบคุม

4. ฟิลด์ข้อมูล: ประกอบด้วยข้อมูลจริงที่กำลังถูกส่ง

5. ฟิลด์ Checksum: ใช้สำหรับการตรวจจับข้อผิดพลาดระหว่างการส่งข้อมูล

6. ตัวคั่นสิ้นสุด: ทำเครื่องหมายจุดสิ้นสุดของเฟรมข้อมูล

โปรโตคอล Fieldbus ที่แตกต่างกันอาจมีความแตกต่างกันในรูปแบบเฟรมข้อมูล แต่โครงสร้างพื้นฐานยังคงคล้ายคลึงกัน

สแต็กโปรโตคอลฟิลด์บัสและการโต้ตอบของโมเดล OSI

สแต็กโปรโตคอล Fieldbus สอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับโมเดล OSI ซึ่งประกอบด้วยเลเยอร์หลายเลเยอร์ โดยแต่ละเลเยอร์มีหน้าที่ที่แตกต่างกัน ต่อไปนี้คือความสอดคล้องระหว่างสแต็กโปรโตคอล Fieldbus และโมเดล OSI:

1. ชั้นกายภาพ: สอดคล้องกับชั้นแรกของโมเดล OSI ซึ่งรับผิดชอบการเชื่อมต่อทางกายภาพและการส่งสัญญาณ รวมถึงสายเคเบิล ขั้วต่อ และการเข้ารหัสสัญญาณ

2. เลเยอร์ลิงก์ข้อมูล: สอดคล้องกับเลเยอร์ที่สองของโมเดล OSI ซึ่งรับผิดชอบในการประกอบเฟรมข้อมูล การจดจำที่อยู่ และการตรวจจับข้อผิดพลาด

3. เลเยอร์เครือข่าย: มีอยู่ในโปรโตคอล Fieldbus ขั้นสูงบางประเภท รับผิดชอบการกำหนดเส้นทางและการส่งต่อข้อมูล

4. เลเยอร์การขนส่ง: รับประกันการส่งข้อมูลที่เชื่อถือได้ พร้อมทั้งมีกลไกการกู้คืนข้อผิดพลาดและควบคุมการไหล

5. เลเยอร์แอปพลิเคชัน: สอดคล้องกับเลเยอร์ที่ XNUMX ของโมเดล OSI ซึ่งรับผิดชอบการแลกเปลี่ยนข้อมูลและการควบคุมการสื่อสารระหว่างแอปพลิเคชัน

ประเภทของอุปกรณ์ Fieldbus และฟังก์ชันการทำงาน

เครือข่าย Fieldbus ประกอบด้วยอุปกรณ์ต่างๆ มากมาย โดยแต่ละอุปกรณ์มีบทบาทเฉพาะและมีหน้าที่เฉพาะตัว ต่อไปนี้คือประเภทอุปกรณ์ Fieldbus ทั่วไปบางส่วน:

อุปกรณ์หลัก (สถานีหลัก)

อุปกรณ์หลักโดยทั่วไปจะเป็นตัวควบคุมหรือ PLC ที่จัดการการสื่อสารเครือข่าย กำหนดเวลาการส่งข้อมูล ส่งคำสั่งควบคุม และรับข้อมูลป้อนกลับ

อุปกรณ์สเลฟ (สถานีสเลฟ)

อุปกรณ์สเลฟได้แก่ เซ็นเซอร์ ตัวกระตุ้น และอุปกรณ์ภาคสนามอื่นๆ ที่รับผิดชอบในการรวบรวมข้อมูล การดำเนินการคำสั่งควบคุม และการอัปโหลดข้อมูลไปยังอุปกรณ์หลัก

เกตเวย์

เกตเวย์เชื่อมต่อเครือข่ายประเภทต่างๆ โดยทำการแปลงโปรโตคอล ตัวอย่างเช่น เกตเวย์จะเชื่อมโยงเครือข่าย Fieldbus กับอีเทอร์เน็ตหรือเครือข่ายอุตสาหกรรมอื่นๆ เพื่อให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างระบบต่างๆ ได้

ขาประจำ

รีพีทเตอร์ขยายช่วงทางกายภาพของเครือข่าย Fieldbus เพิ่มความแรงของสัญญาณ และรับรองการส่งข้อมูลในระยะทางไกล