یکی از مهمترین ارکان در صنایع مختلف برقراری ارتباط بین دو دستگاه است و چندین روش متفاوت دارد که یکی از پرکاربردترین این روش ها پروتکل مدباس (Modbus) است.
در این مقاله می خواهیم که بدانیم مدباس به عنوان نوعی از پروتکل های باز در زمینه اتوماسیون صنعتی چطور کار می کند و مزیتهای استفاده از این نوع پروتکل چیست که آن را به محبوب ترین پروتکل تبدیل کرده است.
با توجه به سازنده تجهیزات اتوماسیون صنعتی، زبان خاصی مورد استفاده قرار می گیرد که ممکن است این زبان، به صورت پروتکل های باز در دسترس باشد.
این پروتکل های باز امکان سازگار کردن و یکپارچه سازی محصولات موجود در بازار را به تولیدکنندگان می دهند. در واقع می توان گفت پروتکل های باز مشخصات منتشر شده ای هستند که هرکس می تواند از آن ها آزادانه یا با مجوز استفاده کند.
پروتکل های باز معمولا توسط جمعی از شرکت های سازنده، گروه های کاربر، جوامع حرفه ای و دولت ها استفاده می شوند و به کاربران این امکان را می دهند که از بین دستگاه ها و سیستم های مورد استفاده، انتخاب گسترده تری داشته باشند.
پروتکل های باز مزایای بسیار زیادی دارند که به صورت خلاصه می توان به چند مورد زیر اشاره کرد:
- پشتیبانی شدن توسط طیف وسیعی از تولید کننده ها، فروشندگان نرم افزار و مراکز نصب و سرویس
- تایید و حمایت شدن از طرف گروه های فعال اجتماعی
- محدود نبودن و امکان افزودن امکانات و توانایی های بیشتر در آینده
این مزایا مدباس را به رایج ترین پروتکل های اتوماسیون مورد استفاده در اتصال دستگاه های الکترونیکی، تبدیل کرده است.
حال باید دید پروتکل ارتباطی مدباس چیست و انواع مدباس مورد استفاده در صنعت را چه مواردی هستند؟
شبکه مدباس چیست؟
شبکه مدباس یک شبکه صنعتی است که در رشته الکترونیک کاربرد دارد. این شبکه برای انجام کارها و پروتکل های خاص در صنعت استفاده می شود.
شبکه مدباس برای متصل کردن چند دستگاه الکترونیکی در صنعت به کار می رود. یادگیری و نحوه استفاده از مدباس برای تمامی مهندسین برق و تکنسین های این رشته الزامی می باشد. زیرا ایجاد ارتباط بین دستگاه های مختلف فقط با استفاده از مد باس میسر است.
تعریف دقیق از شبکه مدباس چیست؟
شبکه مدباس یک شبکه منسجم برای ایجاد ارتباط بین انواع سامانه ها با اتوماسیون مرکزی است. هدف این شبکه جمع آوری اطلاعات و انتقال داده ها بین دستگاه های مختلف است. در واقع مدباس یک زبان برنامه نویسی است. دانستن آن و نحوه استفاده از آن در زمینه ی الکترونیک برای فارغ التحصیلان این رشته اجباری می باشد.
این برنامه در سال ۱۹۷۹ میلادی توسط فردی به نام مودیکون به منظور کنترل تجهیزات الکترونیکی و نظارت بر عملکرد آنها راه اندازی شد. امروزه مدباس یکی از متداول ترین شبکه های ارتباطی در صنعت و به عنوان یک زبان مشترک بین دستگاه های الکترونیک است. برای شفاف شدن معنی دقیق شبکه مدباس مثالی خواهیم آورد. تمام اطلاعات مربوط به داده هایی مانند دما، رطوبت و غیره که توسط تجهیزات صنعتی اندازه گیری می شوند، توسط مدباس به کامپیوتر مرکزی ارسال می شود.
انواع مدباس ارتباطی برای پورت های سریال و اترنت
شبکه مدباس دارای نسخه های مختلف می باشد که هر یک در زمینه مربوط به خود کاربرد دارند. هدف مخترع این شبکه از مدباس، در واقع ایجاد ارتباط بین شبکه های چند هاپی ( هاپ یعنی واسطه ها) بر پایه Master-Slave است. ارتباط بین این شبکه از طریق ارسال و دریافت پیام ها صورت می گیرد. در زیر به نسخه های رایج آن اشاره خواهد شد:
1. مدباس RTU : یان نوع مدباس فقط از طریق کابل و بر روی رسانه های فیزیکی RS-232، RS-485 در modbus استاندارد Slave / Master امکان پذیر است. البته در فناوری های اخیر شبکه RTU قادر به اتصال از طریق تلفن همراه و فیبر نوری و امواج رادیویی نیز می باشد. این نوع مدباس توان انتقال داده تا مسافت یک کیلومتر را با سرعت میانگین ۱۵۰ bs دارد. تجهیزات صنعتی فراوانی حدود ۳۱ دستگاه بدون ریپیتر می توانند در این شبکه قرار بگیرند. البته با افزایش قابلیت های ریپیتر و سگمنت به این شبکه تعداد دستگاه های قابل اتصال تا ۲۴۷ نیز رسیده است.
شبکه RTU یک modbus باینری است، زیرا سرعت بالایی در انتقال اطلاعات با فریم کوتاه را دارد. یکی از معایب شبکه RTU باز بودن آن است. همچنین معایب دیگر آن عدم امنیت در مقابل دستورهای غیر مجاز است. این شبکه قابلیت رهگیری داده ها را نیز ندارد. سرعت ارسال اطلاعات در این شبکه در مقابل شبکه های جدید با سرعت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه بسیار پایین است. در این شبکه برای ۲۴۷ دستگاه ذخیره فقط یک دستگاه مستر وجود دارد و امکان اضافه کردن آن هم وجود ندارد. شبکه های جدید با ساختار درختی، امکان افزودن چندین دستگاه مستر را دارند.
2. مدباس TCP : اساس کار این modbus از طریق کابل و برای اتصال از رسانه های فیزیکی مانند اترنت استفاده می کند. modbus آن به صورت Client/Server است. شبکه TCP از نوع CSMA/CD است. سرعت انتقال داده این شبکه بین ۱۰ تا ۱۰۰ mb/s می باشد. کاربرد این شبکه در اتوماسیون های مدیریتی و شبیه RTU است. تفاوت شبکهTCP با RTU استفاده از اینترفیس و اتصال بر روی رسانه فیزیکی اترنت است. این شبکه برای اطمینان از نحوه صحیح ارسال پیام ها از نظر آدرس دهی است. اساس کار این مدباس تبدیل پیام به فریم استاندارد TCP بر روی پورت ۵۰۲ می باشد.
3. مدباس Plus : اساس کار شبکه مدباس پلاس Token است. این مدباس کاملاٌ انحصاری بوده و تحت شرکت مدیکان نظارت می شود. انتقال اطلاعات در این شبکه با اتصال بر روی رسانه فیزیکی RS-485 با سرعت ۱ مگابایت بر ثانیه انجام می شود. مسافت ارسال اطلاعات از طریق Plus تا ۱۸۰۰ متر همراه با ۶۴ دستگاه با وجود ریپیتر است. بدون ریپیتر این شبکه قابلیت اتصال ۳۱ دستگاه را دارد. برای مسافت های بیشتر از ۱۸۰۰ متر عمدتاً از کابل فیبر نوری استفاده می شود.
4. مدباس ASCII : این modbus یک شبکه کاراکتری است و به عنوان شبکه تستی بکار می رود. اتصالات در این شبکه با استفاده از کابل modbus می باشد. بالاترین میزان داده در این شبکه تا ۵۱۳ بایت در ثانیه است. این شبکه modbus مانند شبکه RTU است. تنها تفاوت آن در میزان انتقال داده و فریم داده است.
اتصال شبکه مدباس
شبکه مدباس به عنوان یک شبکه استاندارد باز است، که قابلیت ارتباط از طریق اتصال بر روی رسانه های فیزیکی را دارد. رسانه فیزیکی بخش تبادل پیام را مدیریت می کند. رسانه های فیزیکی شامل شکل های مختلفی مانند پورت سریال هایی مانند RS-232، RS-485، RS-422 و اترنت می باشند.
پورت سریال RS-232 : استفاده از این نوع سریال ها فقط برای modbus اصلی صورت می گیرد.
پورت سریال RS-485 : بیشتر modbus ها بر روی سریال RS-422 اجرا می شوند، که غالباً برای ارسال پیام هایی با مسافت های طولانی مورد استفاده قرار می گیرند. در مسافت های طولانی که نیاز به سرعت و اتصال تعداد دستگاه بیشتر است، از این شبکه استفاده می کنند. شبکه modbus از سیستم Master-Slave برای اجرا بر روی سریال RS-485 از دو سیم برای ارسال و دریافت پیام استفاده می کند. البته برای ارسال پیام و اتصال چند دستگاه به یکدیگر بیشتر از اترنت استفاده می شود.
پورت سریال RS-422 و اترنت : این دو نیز برای اتصال در شبکه های modbus کاربرد دارند.
ساختار شبکه مدباس شامل چه دستگاه و مواردی می شود؟
شبکه مدباس یک پنل ارتباطی به صورت سریالی در میان انواع تجهیزات صنعتی است. این شبکه در سیستم های کنترل کننده PLC بیشتر کاربرد دارد. همچنین با داشتن قابلیت های بالا، به عنوان یکی از شبکه های استاندارد و پرکاربرد استفاده می شود. این شبکه در صنعت به عنوان رابط کاربردی بین دستگاه های صنعتی است.
در modbus دو بخش اصلی به نام های Master و Slave وجود دارد،
بخش مستر تمام اطلاعات لازم را از سیستم ها و دستگاه های مختلف درخواست می کند. بخش Slave، جمع آوری اطلاعات فرستاده شده را بر عهده دارد. در یک مدباس استاندارد برای هر مستر حدود ۲۴۷ دستگاه Slave قرار داده شده است. آدرس هر یک از این Slave تنها مختص به خود آن بخش است. یک مستر تمامی این Slave ها را کنترل می کند. همچنین قادر به نوشتن و خواندن اطلاعات آنها باشد.
دو دستگاه Master و Slave کاملاً جدا و مستقل از هم می باشند که توسط کابل modbus به یکدیگر متصل می شوند. بنابراین تمامی اتصالات از دستگاه ها به مستر از طریق کابل modbus و امکانات دیگر امکان پذیر است.اطلاعات به وسیله کابل modbus بین مستر و اسلیو رد و بدل می شود. چهار جدول در سیستم Slave برای نگهداری اطلاعات وجود دارد. کار این جدول ها در دستگاه Slave به دو بخش تقسیم می شوند. دو بخش از این چهار جدول به نام کویل است، که وظیفه روشن و خاموش کردن ذخیره سازی داده های گسسته را دارند. دو قسمت دیگر از جدول به نام ریجستر نام دارند . این دو قسمت ذخیره سازی داده های پیوسته را بر عهده دارند.
هر دو بخش کویل و رجیستر توانایی خواندن و نوشتن داده های دریافتی و ارسالی را دارند. و اطلاعات را تا سقف ۹۹۹۹ مقدار ذخیره می کنند. ظرفیت هر کویل برای ذخیره سازی اطلاعات یک بیت می باشد. ظرفیت هر رجیستر برای ذخیره سازی اطلاعات تا ۲ بایت (۱۶ بیت) است. آدرس ها در این جدول به صورت صفر و یک می باشد، که شروع آدرس از ۰۰۰۰ تا ۲۷۰e است.
منظور از نقشه شبکه مدباس چیست؟
منظور از نقشه شبکه modbus لیستی از دستورها برای نحوه ذخیره داده ها و محل آنها است. نقشه فقط در دستگاه Slave تعریف می شود. اصولاً نقشه modbus ثابت است. ولی امروزه در شبکه های جدیدتر مدباس امکان تغییر نقشه و جابجایی آن در Slave به وسیله کاربران وجود دارد.
مزایای استفاده از پروتکل های مدباس در صنعت و الکترونیک چیست؟
از مهمترین مزیت های این شبکه داشتن انواع شبکه باز و بسته است. شبکه های باز توسط اکثر شرکت ها پشتیبانی می شوند. در حالی که شبکه های بسته آن، فقط منحصر به شرکت تولید کننده است. شبکه modbus در صنعت و شاخه الکترونیک کاربرد دارد. همچنین قابلیت اتصال چندین تجهیزات را دارد. ایجاد ارتباط برای مسافت های طولانی به منظور ارسال اطلاعات با حجم بالا و استفاده از حداقل سیم کشی و کابل تنها از طریق modbus امکان پذیر است.
