نگاهی به تاریخچه پیدایش شبکه پروفیباس:
استفاده از شبکه‌های مخابرات داده در اتوماسیون صنعتی ابتدا در دهه ۱۹۷۰ معرفی شد. اولین کاربرد آنها در سیستم‌های کنترل مستقیم دیجیتال (DDC) برای ارتباط میان رایانه و واحد ورودی/ خروجی بود. همچنین شبکه‌ها به طور پراکنده در سیستم‌های کنترل گسترده (DCS) و کنترل کننده‌های منطقی برنامه پذیر (PLC) برای ارتباط میان کنترل کننده‌ها و کاربر به کار گرفته می‌شد. اما ارتباط دیجیتال میان دستگاه‌های کوچکتر در سطح کارخانه مانند مبدل‌ها و عملگرها تا دهه ۱۹۸۰ ایجاد نشده بود. و ایجاد شبکه‌های واقعی دیجیتال میان تجهیزات کارخانه تا دهه ۱۹۹۰ مقبولیت عام نیافته بود[۲۲].

با پیشرفت پردازشگرهای دیجیتال از سال ۱۹۸۰ سنسورهای هوشمند با قابلیت پردازش ارائه شد و این اندیشه قوت گرفت که به جای اتصال ترانسمیتر‌ها و محرک‌ها به Remote I/O آنها را مستقیما به شبکه وصل کنند.
بعلاوه به علت وجود پردازشگرها در وسایل فیلد می‌توان برخی فانکشن‌های ساده کنترلی را به آنها محول نمود و لزومی به اجرای آنها توسط یک کنترلر مرکزی نیست. این امر علاوه بر اینکه بار کنترلر اصلی را کاهش می‌دهد، قابلیت اطمینان سیستم را بدلیل استفاده از وسایل هوشمند توزیع شده، افزایش می‌دهد. این ایده سرآغاز ظهور سیستم‌های فیلدباس در کنترل صنعتی شد[۲۲].
پیدایش پروفیباس که برگرفته از کلمه پروسس فیلدباس است به سال ۱۹۸۷ بر میگردد. در آن زمان بیش از ۲۰ کمپانی و موسسه آلمانی با یکدیگر پروژه ای را تحت عنوان استاندارد سازی شبکه در سطح فیلد شروع کردند. کمپانی زیمنس نیز در بین آنان بود.هدف پروژه ایجاد یک شبکه باز بود که بتواند سیستم های کنترل موجود مانند PLC و DCS را پوشش دهد. پس از ۳ سال تلاش در سال ۱۹۹۰ Profibus FMS ارائه گردید که برای ارتباطات پیچیده کنترلی بکار می‌رفت و هنوز نیز کاملا کنار گذاشته نشده است. سپس در سال ۱۹۹۳ Profibus DP طراحی شد که تا امروز ۳ نسخه از آن تحت عنوان DP-V2 , DP-V1 , DP-V0 عرضه شده است. علاوه بر این به منظور پوشش دادن نیاز های مربوط به محیط های خطرناک و انفجاری در سال ۱۹۹۵ Profibus PA پا به عرصه وجود گذاشت[۲۲].
پروفیباس اگرچه ابتدا در آلمان مطرح شد ولی به سرعت توسعه پیدا کرد و جایگاهی بین المللی به خود اختصاص داد و سازمانی با عنوان Profibus International (با نام اختصاری PI ) قرار گرفت. PI در سال ۱۹۹۵ تشکیل گردید و امروزه بیش از ۱۴۰۰ شرکت معتبر عضو آن هستند. هدف اصلی PI توسعه و بهبود تکنولوژی پروفیباس برای مقبولیت جهانی است[۲۳].
ارتباطات منطقی در شبکه‌های صنعتی (اترنت و پروفیباس)
هرجا از شبکه صحبتی به میان می‌آید چه شبکه‌های صنعتی و چه شبکه غیر صنعتی موضوع مدل OSI نیز در آن جایگاه ویژه ای بخود اختصاص می‌دهد. OSI مخفف Open System Interconnection و معرف یک مدل (و یک استاندارد) برای تبادل دیتا روی شبکه است. این مدل مرجع در سال ۱۹۸۳ توسط موسسه استاندارد ISO عرضه شد و معرف ۷ لایه در شبکه است. این مدل می‌گوید وقتی بین دو وسیله متصل به شبکه اطلاعات تبادل می‌شود دیتا بایستی از ۷ لایه بگذرد[۵].
شکل ‏۲‑۶: مدل OSI [۵]
در سمت فرستنده دیتا به لایه پایین تر مطابق شکل بالا تحویل داده می‌شود و از آنجا پله پله به لایه‌های
پایین تر منتقل می‌گردد. در هر لایه کاری روی دیتا انجام می‌شود و به آن هدر اضافه می‌گردد. مثلا دیتا به بخشهای کوچکتر تقسیم می‌گردد، رمزگذاری می‌شود، به آن آدرس گیرنده و فرستنده اضافه می‌شود، بیت‌های خاص کنترل خطا در کنار آن قرار می‌گیرد. به این عملیات کپسوله کردن یا بسته بندی می‌گویند. پس از اتمام عملیات فوق دیتا به لایه آخر (پایین ترین لایه) یا لایه فیزیکی تحویل داده می‌شود تا آنرا به محیط فیزیکی بیرون منتقل کند یعنی بصورت جریان الکتریکی روی کابل یا بصورت پالسهای نوری روی فیبر قرار دهد. در سمت گیرنده این سیگنالها توسط لایه فیزیکی دریافت شده و به لایه‌های بالاتر تحویل داده
می شود در گیرنده هر لایه وظیفه مشابه همان لایه در فرستنده را دارد ولی آنچه در سمت فرستنده اضافه شده اینجا شناسایی و حذف می‌شود. بدین ترتیب دیتا پله پله به لایه‌های بالاتر منتقل شده و هدر‌های اضافه شده حذف می‌گردند تا اصل پیام در لایه ۷ برای گیرنده قابل دریافت باشد [۵].
از آنجا که کامل ترین مدل برای مخابرات شبکه ای مدل ارائه شده مدل OSI می‌باشد، ما نیز از این مدل جهت بررسی ساختار اترنت و پروفیباس استفاده می‌نماییم.
تکنولوژی ارتباطات در اترنت
نام اترنت را غالبا همراه با TCP/IP بکار می‌برند. توجه شود که طبق استاندارد IEEE802.3 اترنت از لایه‌های ۱ و ۲ مدل OSI استفاده می‌کند. TCP/IP جایگزین این دو لایه نشده بلکه در لایه‌های شبکه^[۳۱] و انتقال^[۳۲] از TCP/IP استفاده شده است. بنابراین وقتی از اترنت استاندارد صحبت می‌شود نبایستی آن را با TCP/IP یکسان تصور نمود بلکه TCP/IP بخشی از لایه‌های ارتباطی در اترنت استاندارد محسوب می‌شوند. مقایسه بین لایه‌های TCP/IP و OSI در شکل زیر آمده است.
این دو مدل همانطور که در شکل نشان داده شده بصورت لایه بندی هستند و بالاترین لایه در هر دوی آنها لایه کاربرد^[۳۳] بوده و دارای لایه‌های مشابه مانند لایه انتقال و شبکه نیز می‌باشند. تعداد لایه‌ها در TCP/IP کمتر و ساده تر است. در مدل TCP/IP می‌توان از پروتکل‌های ساده استفاده کرد که اگرچه سریع هستند ولی ارسال صحیح را تضمین نمی کنند ولی در OSI تضمین ارسال صحیح مورد تاکید است[۲۴].
شکل ‏۲‑۷: تفاوت مدل OSI و TCP/IP [۵]
در ادامه به بررسی تک تک لایه‌ها می‌پردازیم:
لایه فیزیکی
شکل ‏۲‑۶: لایه فیزیکی
لایه فیزیکی در اصل بستر و زیر ساخت ارتیاطی شبکه بوده و در واقع مدیای مورد نیاز جهت ارسال و دریافت اطلاعات می‌باشد. با تغیرات به عمل آمده در استانداردهای اترنت لایه فیزیکی نیز دستخوش تغییر بوده است که در ادامه به بررسی آن می‌پردازیم. با توجه به اینکه پرکاربردترین خانواده‌های اترنت در مقاصد صنعتی خانواده ۱۰ Base و خانواده ۱۰۰ Base است در این بخش به ارتباطات فیزیکی این دو شبکه می‌پردازیم و از ذکر مباحث مربوط به گیگابایت خودداری می‌نماییم[۵].
۱۰BASE 5
اولین استاندارد مربوط به اترنت^[۳۴] است که در سال ۱۹۸۵ توسط IEEE ارائه شده است. در استاندارد ۱۰ BASE 5 شبکه مبتنی بر کابل کواکسیال با سرعت ۱۰Mbps است، به این کابل نوع RG-8 نیز می‌گویند. از معایب این شبکه حجیم بودن شبکه و گرانقیمت بودن آن به دلیل نیاز به وسایلی موسوم به ترانسیور و ساده نبودن عیب یابی است. توپولوژی این شبکه به صورت باس است و اشکال در کابل اصلی یا ترانسیور می‌تواند کل شبکه را مختل کند. به دلیل کاستی‌های فوق امروزه کاربرد این شبکه منسوخ گردیده است. در این شبکه ماکزیمم طول کابل انشعابی ۵۰ متر است و کابل اصلی شبکه که بین ترانسیورها کشیده می‌شود می‌تواند از حداقل ۲٫۵ متر شروع شود و با طولی حداکثر تا ۵۰۰ متر ادامه یابد. در صورت افزایش طول می‌بایست از تکرارگر^[۳۵] استفاده نمود.
شکل ‏۲‑۹: ۱۰BASE 5 [۲۵]
با ارائه ۱۰ BASE 2 که نیز مبتنی بر کابل Coaxial ولی کابل نازکتر بود، ۱۰ BASE 5 به Thick net (شبکه ضخیم) و ۱۰ BASE 2 به Thin net (شبکه نازک) معروف گردید[۲۵].
۱۰ BASE 2
۱۰ BASE 2 مطابق با استاندارد IEEE 802.3a می‌باشد که به منظور فایق آمدن بر کاستی‌های ۱۰ BASE 5 عرضه شده است. سرعت آن ۱۰Mbps و کابل مورد استفاده در آن کواکسیال است که به RG58 نیز موسوم است. این شبکه به اسامی Thin net و Cheaper net نیز شناخته می‌شود. نازکتر بودن کابل کواکس این شبکه نسبت به کابل کواکس ۱۰ BASE 5 و اقتصادی تر بودن آن به دلیل عدم نیاز به ترانسیور از دلایل این نامگذاری است. اتصال وسیله به شبکه توسط کانکتور BNC انجام می‌شود. با وجود آنکه کابل کشی این شبکه نسبت به ۱۰ BASE 5 بسیار کمتر است ولی عیب بزرگ ۱۰ BASE 2 اینست که به دلیل استفاده از توپولوژی باس قطع شدن وسیله یا شل شدن اتصال BNC می‌تواند کل شبکه را مختل کند از اینرو اگرچه تا چند سال قبل به عنوان LAN اداری بکار می‌رفت ولی در اتوماسیون صنعتی مورد توجه قرار نگرفت. حداقل فاصله بین دو ایستگاه ۰٫۵ متر است. ماکزیمم طول سگمنت دقیقا ۱۸۵ متر است. امروزه استفاده از ۱۰ BASE 2 برای اترنت حتی در کاربرد غیر صنعتی منسوخ شده است[۲۶].
شکل ‏۲‑۱۰: ۱۰BASE 2 [۲۶]
۱۰ BASE-T
بر اساس استاندارد IEEE 802.3i ارائه شده است و سرعت آن ۱۰ Mbps است یعنی از نظر سرعت تفاوتی با دو نوع شبکه قبلی ندارد فقط از نظر کابل و تجهیزات رابط متفاوت است. مشکلات مربوط به قطع شدن کابل در شبکه های ۱۰ BASE قبلی به دلیل توپولوژی باس منجر به طراحی این شبکه گردید که به دلیل استفاده از توپولوژی ستاره قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به دو نوع قبلی دارد و عیب یابی آن ساده تر است.
در انواع قبلی کابل کواکسیال استفاده می‌شود ولی در این شبکه کابلی با ۴ زوج سیم به هم تابیده که می‌تواند از نوع UTP باشد بکار می‌رود که البته فقط دو زوج آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. توپولوژی ستاره با وسایلی موسوم به هاب^[۳۶] ایجاد می‌شود. این شبکه هنوز در مقاصد صنعتی و غیر صنعتی کاربرد دارد. اگر از کابل Cat 5 در این شبکه استفاده شود کانکتور RJ45 مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماکزیمم طول کابل بین وسیله تا هاب ۱۰۰ متر و حداقل فاصله بین این دو ۲٫۵ متر است. با سری کردن هاب‌ها می‌توان طول شبکه را بصورت تئوری تا ۴۰۰۰ متر افزایش داد اما بطور عملی ماکزیمم فاصله بستگی به نوع وسایل و انجام عملیات محاسباتی دارد. در یک جمله ساده می‌توان گفت تا حدی می‌توان طول شبکه را افزایش داد که بین دو وسیله ای که بیشترین فاصله را با هم روی شبکه دارند اگر تصادم دیتا پیش آمد قبل از اینکه دیتای بعدی را بفرستند مطلع شوند. اصطلاحا به این موضوع Collision Domain گفته می‌شود که در بخش‌های آتی توضیح بیشتری خواهیم داد. این شبکه هنوز در مقاصد صنعتی و غیر صنعتی کاربرد دارد[۲۷].

شکل ‏۲‑۱۱: ۱۰BASE T [۲۷]
۱۰ BASE-FL
۱۰ BASE-FL مطابق با استاندارد IEEE 802.3j می‌باشد و برای فیبر نوری بکار می‌رود، حروف FL در انتهای کد معرف Fiber Optic Link می‌باشد. ۱۰ BASE-FL برای به روز کردن استاندارد FOIRL
(مخفف Fiber-optic inter-repeater link) عرضه شده است. در FOIRL حداکثر طول فیبر بین دو وسیله ۱۰۰۰ متر بود که در ۱۰ BASE-FL به ۲۰۰۰ متر افزایش یافت. استفاده از فیبر نوری دو مزیت بزرگ را نسبت به شبکه های مسی قبلی به دنبال داشت اول ایمنی سیگنال در مقابل نویز و دوم امکان انتقال تا مسافت های طولانی. کارت شبکه ۱۰Base-FL دارای دو پورت نوری TX,RX است که کانکتورها مستقیما به آن متصل می‌شوند. توپولوژی این شبکه به صورت نقطه به نقطه^[۳۷] است. به عبارت دیگر فیبر از پورت ارسال TX یک وسیله به پورت RX وسیله دیگر متصل می‌شوند. بنابراین هر سگمنت ماکزیمم دو نود دارد [۲۸].
شکل ‏۲‑۱۲: ۱۰ BASE-FL [۲۸]
۱۰۰ BASE یا Fast Ethernet
این شبکه مبتنی بر استاندار IEEE 802.3u می‌باشد و می‌تواند از کابل مسی (۱۰۰ BASE-TX) یا فیبر نوری یا استفاده کند. اترنت سریع با سرعتی ۱۰ برابر اترنت معمولی کار می‌کند. از اینرو به آن اترنت سریع یا Fast Ethernet گفته می‌شود.
ویژگی های اترنت سریع در جدول زیر با نوع معمولی مقایسه شده است. همانطور که مشاهده می‌شود بجز سرعت انتقال که ۱۰ برابر شده سایر ویژگی‌ها عمدتا یکسان هستند[۵].
جدول۲-۳: مقایسه اترنت معمولی و سریع [۵]