Системи за автоматизация, основани на Foundation Fieldbus.

Foundation Fieldbus е цифрова комуникационна система, използвана в автоматизацията, наред с такива като Profibus, Modbus или HART. Технологията се появи малко след своите конкуренти: първото издание на стандарта е датировано 1996 година и в момента включва два протокола за информационен обмен между участниците в мрежата – H1 и HSE (High Speed Ethernet).

Протоколът H1 се използва за информационен обмен на ниво сензори и контролери, а неговата мрежа се основава на стандарта за физическия слой МЕК 61158-2, позволявайки скорост на предаване на данни от 31,25 кбит/с. При това захранването на полевите устройства може да бъде организирано от шината за предаване на данни. Мрежата HSE е основана на високоскоростни Ethernet мрежи (100/1000 Мбит/с) и се използва за изграждане на мрежи в АСУ ТП на ниво контролери и системи за управление на предприятието.

Технологията е приложима при изграждане на АСУ ТП в всички промишлени обекти, но най-голямо разпространение е получила в предприятията на нефтогазовата индустрия и химическата промишленост.

Възможности на технологията

Foundation Fieldbus беше разработена като алтернатива на традиционната автоматизирана система за управление, базирана на аналогови сензори, и предлага редица предимства пред традиционната система, както и пред цифровите системи на базата на Profibus или HART.

Едно от основните предимства е високата степен на надеждност и устойчивост на системите. Foundation Fieldbus H1, което се постига благодарение на два фактора:

• използването на интелигентни устройства на полевото ниво (сензори и изпълнителни механизми);
• възможността да се организира информационен обмен директно между устройствата на полевото ниво без участието на контролер.

Интелигентността на полевите устройства се състои във възможността да се вградят алгоритми за управление и обработка на информация, които традиционно се реализират в контролера. На практика това позволява на системата да продължи работа дори при неуспех на контролера. За това е необходимо полевите устройства да бъдат конфигурирани по подходящ начин, както и да бъде осигурена надеждна система за захранване на полевата шина.

Допълнителните предимства от цифровизацията на системата за управление и използването на интелигентни сензори се състоят в възможността да се получи повече информация освен измерванията от всяко полево устройство, което в крайна сметка разширява обхвата на наблюдение на процеса, който в традиционните аналогови системи е ограничен до система за въвеждане-извеждане на сигнали.

Използването на шинна топология в мрежата H1 позволява съкращаване на дължината на кабелните линии, обема на монтажните работи, отказ от допълнително оборудване в системите за управление: модули за въвеждане-извеждане, източници на захранване, а в опасни зони — бариери за защита от искри.

Foundation Fieldbus H1 допуска кабели на линии за връзка с датчици 4-20 мА, което може да се използва при модернизацията на стари системи за управление. Чрез прилагане на принципите на искробезопасността, технологията се използва активно в експлозивни среди. Стандартизацията сама по себе си гарантира взаимозаменяемост и съвместимост на оборудването от различни производители, а чрез шлюзовите устройства е възможно свързването на мрежата от полеви устройства с мрежите АСУ ТП на предприятия, изградени на Ethernet.

Най-близкото сходство на Foundation Fieldbus H1 е със системите Profibus PA. И двата технологии се базират на единен стандарт на физическото ниво, затова скоростите на предаване на данни, използването на манчестърско кодиране, електрическите параметри на линията за връзка, величината на възможната предавана мощност и максимално допустимата дължина на кабела в сегмент от мрежата (1900 м) са еднакви. Също така в двете системи е възможно използването на до 4 репитера, благодарение на което дължината на сегмента може да достигне до 9,5 км. Общи са възможните мрежови топологии в системата за управление, както и принципите на осигуряване на искробезопасността.

Компоненти на системата

Основните елементи на мрежата Foundation Fieldbus H1 са:

• контролер на децентрализирана система за управление (DCS);
• източници на захранване на полевата шина;
• блокови или модулни устройства за свързване;
• терминатори на шината;
• интелигентни полеви устройства.

В системата могат да присъстват и шлюзови устройства (Linking Device), преобразуватели на протоколи, УЗИП и повторители.

Топология на мрежата

Важно понятие в мрежата H1 е понятието сегмент. Той представлява магистрален комуникационен канал (Trunk), с отклонения (Spur) от него, към които се свързват полеви устройства. Магистрален кабел започва от източника на захранване на шината и обикновено завършва на последното устройство за свързване. За свързване на контролера с полевите устройства са допустими четири вида топологии: точка-точка, верига, шина и дърво. Всеки сегмент може да бъде изграден както с използване на отделна топология, така и с комбинации от тях.

При използване на топология точка-точка, всяко полево устройство се свързва директно с контролера. В този случай всяко свързано полево устройство образува свой собствен сегмент на мрежата. Тази топология се оказва неудобна, тъй като лишава системата от почти всички предимства, заложени в Foundation Fieldbus. На контролера се използват твърде много интерфейси, а за захранване на полевите устройства от данните на шината, на всяка линия комуникация трябва да има свой източник на захранване. Дължината на линиите се оказва твърде голяма, а информационният обмен между устройствата се извършва единствено чрез контролера, което не позволява прилагането на принципа на висока отказоустойчивост в системите H1.

Топология на веригата представлява последователно свързване на полеви устройства помежду им. Тук всички полеви устройства са обединени в един сегмент, което позволява да се използват по-малко ресурси. Въпреки това, подобна топология има и недостатъци - най-вече е необходимо да се предвиди метод, при който повредата на един от междинните сензори не води до прекъсване на връзката с останалите. Още един недостатък се обяснява с липсата на защита срещу късо съединение в комуникационната линия, при което обменът на информация в сегмента ще бъде невъзможен.

Две други топологии на мрежата - шинна и дървовидна - притежават най-голяма надеждност и практичност и именно те са намерили най-широко приложение на практика при изграждането на H1 мрежи. Смисълът на тези топологии се състои в използването на устройства за свързване, които свързват полеви устройства с магистралната линия. Устройствата за свързване позволяват свързването на всяко полево устройство към собствен интерфейс.

Параметри на мрежата

Важно е да се вземат предвид физическите параметри на H1 мрежата – колко полеви устройства могат да се използват в сегмента, каква е максималната дължина на сегмента, каква дължина могат да имат клоновете. Отговорът на тези въпроси зависи от типа захранване и енергийното потребление на полевите устройства, а за взривоопасни обекти – от методите за осигуряване на искробезопасност.

Максималното количество полеви устройства в сегмента (32) може да бъде постигнато само при условия на захранване от локални източници и при отсъствие на мерки за осигуряване на искробезопасност. При захранване на сензори и изпълнителни механизми от данни, максималният брой устройства може да бъде само 12 или по-малко в зависимост от методите за осигуряване на искробезопасност.

Връзката между броя на полевите устройства и начина на захранване и методите за осигуряване на искробезопасност.

Дължината на сегмента на мрежата се определя от типа на използвания кабел. Максималната дължина от 1900 м се постига при използване на кабел тип А (екранирана усукана двойка). При използване на кабел тип Д (неусукана многожична кабел с общ екран) – само 200 м. Под дължината на сегмента се разбира сумата от дължините на магистралния кабел и всички отклонения от него.

Зависимост на дължината на сегмента от типа на кабела.

Дължината на отклоненията зависи от броя на устройствата в сегмента на мрежата. Така че, при броя на устройствата до 12 – това е максималните 120 м. При използването на 32 устройства в сегмента максималната дължина на отклоненията ще бъде само 1 м. При свързване на полеви устройства с шлейф всяко допълнително устройство намалява дължината на отклонението с 30 м.

Зависимост на дължината на отклоненията от магистралния кабел от броя на полевите устройства в сегмента.

Всички тези фактори пряко влияят на структурата и топологията на системата. За да се ускори процесът на проектиране на мрежата, се използват специални софтуерни комплекси, като DesignMate от организацията FieldComm Group или Fieldbus Network Planner от компанията Phoenix Contact. Програмите позволяват изчисляване на физическите и електрическите параметри на мрежата H1, като се взимат предвид всички възможни ограничения.

Назначение на компонентите на системата

Контролер

Задачата на контролера включва реализирането на функциите на Активния Планиращ Свръзки (LAS) – основното устройство, което управлява мрежата чрез разпространяване на служебни съобщения. LAS инициира информационен обмен между участниците в мрежата чрез планирани (по график) или непланирани съобщения, осъществява диагностика и синхронизация на всички устройства.

Освен това контролерът отговаря за автоматичното адресиране на полевите устройства, действа като шлюзово устройство и предоставя Ethernet интерфейс за комуникация с горното ниво на системата за управление, базирана на Foundation Fieldbus HSE или друг комуникационен протокол. За горното ниво на системата контролерът предоставя функции за мониторинг и управление от страна на оператора, както и функции за дистанционно конфигуриране на полевите устройства.

В мрежата могат да има няколко Активни Планировчици на Връзки, които гарантират резервиране на внедрените в тях функции. В съвременните системи функциите на LAS могат да бъдат реализирани в шлюзово устройство, което изпълнява ролята на преобразувател на протоколи за системи за управление, построени на стандарт, различен от Foundation Fieldbus HSE.

Източници на захранване на полевата шина

Системата за захранване в мрежата H1 играе ключова роля, тъй като за възможността за информационен обмен по кабела за трансфер на данни е необходимо да се поддържа напрежение в диапазона от 9 до 32 V постоянен ток. Независимо дали полевите устройства получават захранване от шина за предаване на данни или от местни източници на захранване, мрежата изисква източници на захранване на шината.

Следователно основната им задача е да поддържат необходимите електрически параметри на шината, както и да захранват устройствата, свързани с мрежата. Източниците на захранване на шината се различават от обикновените блокове за захранване по това, че имат съответен импеданс на изходната верига на честотите за предаване на данни. Ако за захранване на мрежата H1 се използват директно блокове за захранване от 12 или 24 V, сигналът ще бъде загубен и информационният обмен на шината няма да бъде възможен.

Резервирани източници на захранване за полевата шина FB-PS (сглобка за 4 сегмента).

С оглед значението на надеждното захранване на шина, захранващите източници на всеки сегмент от мрежата могат да бъдат резервирани. Захранванията FB-PS от Phoenix Contact поддържат технологията за автоматично балансиране на токовата натовареност (Auto Current Balancing). АСВ осигурява симетрично натоварване между захранващите източници, което оказва положително влияние върху тяхната температура и в крайна сметка води до удължаване на техния експлоатационен живот.

Захранващата система на мрежата H1 обикновено се намира в контролния шкаф.

Устройства за свързване

Устройствата за свързване са предназначени да свързват група полеви устройства с основната комуникационна шина. Те се делят на два типа в зависимост от изпълняваните функции: модули за защита на сегмента (Segment Protectors) и полеви бариери (Field Barriers).

Независимо от типа, устройствата за свързване защитават мрежата от къси съединения и токови претоварвания в отклоняващите линии. При възникване на късо съединение, устройството за свързване блокира интерфейсния порт, предотвратявайки разпространението на КЗ в системата, като по този начин осигурява информационен обмен между останалите устройства в мрежата. След отстраняване на КЗ на линията, преди блокираният комуникационен порт отново започва да функционира.

Полевите бариери допълнително осигуряват гальванична изолация между неискробезопасните вериги на магистралната шина и искробезопасните вериги на свързани полеви устройства (отклонения).

Физически устройствата за свързване също са от два типа – в блочно и модулно изпълнение. Блочните устройства за свързване тип FB-12SP с функционалност за защита на сегмента позволяват използването на искробезопасни вериги IC за свързване на полеви устройства в Зона 2, а полевите бариери FB-12SP ISO позволяват свързване на устройства в Зона 1 и 0 с искробезопасни вериги IA.

Устройствата за свързване FB-12SP и FB-6SP от Phoenix Contact.

Едно от предимствата на модулните устройства е възможността за мащабиране на системата, подбирайки необходимо за свързване количество канали на полевите устройства. Освен това, модулните устройства позволяват създаването на гъвкави структури. В един разпределителен шкаф могат да се комбинират модули за защита на сегмента и полеви бариери, тоест да се свързват полеви устройства, разположени в различни зони на взривоопасност от един шкаф. Общо на един шинен блок могат да се инсталират до 12 двуканални модула FB-2SP или едноканални модули за бариери FB-ISO, като по този начин могат да се свържат до 24 полеви устройства в Зона 2 или до 12 сензора в Зона 1 или 0.

Устройствата за свързване могат да работят в широк температурен диапазон и са инсталирани в взривозащитени обвивки Ex e, Ex d с клас на защита от прах и влага най-малко IP54, включително максимално близо до обекта на управление.

Устройства за защита от импулсни пренапрежения

Мрежите на полево ниво Н1 могат да образуват много дълги сегменти, а комуникационните линии могат да преминават на места, където е възможно образуването на импулсни пренапрежения. Под импулсни пренапрежения се разбира индуцираното напрежение, причинено от гръмотевични разряди или къси съединения в близките кабелни линии. Индуцираното напрежение, чиято стойност е около няколко киловолта, предизвиква протичане на разрядни токове с величина в килоеампери. Всички тези явления се случват в рамките на микросекунди, но могат да доведат до повреди на компонентите на мрежата Н1. За защита на оборудването от подобни явления е необходимо да се използват УЗИП. Прилагането на УЗИП вместо обикновени проходни клеми гарантира надеждна и безопасна работа на системата в неблагоприятни условия.

Принципът на неговото действие е основан на използването на квазикратко съединение в наносекундния диапазон за протичане на разрядни токове в контура, в който се използват елементи, способни да издържат на протичането на токове с такава величина.

Съществуват много разновидности на УЗИП: едноканални, двуканални, със сменяеми щекери, с различни типове диагностика – под формата на блинкер, сух контакт. Съвременните диагностични средства от Phoenix Contact позволяват мониторинг на УЗИП с използване на цифрови услуги, основани на Ethernet. На завода на компанията в Русия се произвеждат устройства, сертифицирани за употреба в експлозивни среди, включително в системи Foundation Fieldbus.

Терминатор на шината

Терминаторът изпълнява две функции в мрежата – шунтира токовете на полевата шина, които възникват в резултат на модулирането на сигнала, и предотвратява отражението на сигнала от краищата на магистралната линия, така че да се избегнат шумове и джитър (фазово дрожене на цифровия сигнал). По този начин, терминаторът позволява да се избегне появата на неточни данни в мрежата или загуба на данни.

Във всеки сегмент на мрежата H1 е задължително наличието на два терминатора на всяка от двете страни на сегмента. Захранващите източници на шината и устройствата за свързване Phoenix Contact са оборудвани с отключваеми терминатори. Наличието на излишни терминатори в мрежата, например поради грешка, ще значително намалява нивото на сигнала в интерфейсната линия.

Информационен обмен между сегментите

Информационният обмен между полевите устройства не е ограничен до един сегмент, а може да се осъществява между различни участъци на мрежата, които могат да бъдат свързани чрез контролер или предприятието на базата на Ethernet. При това може да бъде използван протоколът Foundation Fieldbus HSE или по-популярен, например, Modbus TCP.

При изграждане на мрежа HSE се използват комутатори с промишлено изпълнение. Протоколът допуска кръгова резервираност. В този случай трябва да имате предвид, че в кръгова топология комутаторите трябва да използват един от протоколите за резервиране (RSTP, MRP или Extended Ring Redundancy) в зависимост от размера и изискваното време за конвергенция на мрежата при прекъсване на комуникационните канали.

Интеграция на системи, базирани на HSE, с чужди системи е възможна чрез използване на технологията ОРС.

Методи за осигуряване на взривобезопасност

За създаването на взривобезопасна система не е достатъчно да се ръководим само от характеристиките на взривобезопасността на оборудването и избора на правилното му разположение на обекта. В рамките на системата всяко устройство не функционира самостоятелно, а работи в рамките на единна мрежа. В мрежите Foundation Fieldbus H1 информационният обмен между устройствата, разположени в различни зони с повишен риск от експлозия, е свързан не само с предаване на данни, но и с пренос на електрическа енергия. Количеството енергия, което е допустимо в една зона, може да бъде неприемливо в друга. Затова за оценка на взривобезопасността на полевите мрежи и избора на оптимален метод за нейното осигуряване се използва системен подход. Сред тези методи най-широко разпространение имат методите за осигуряване на искробезопасност.

В момента съществуват няколко метода за осигуряване на искробезопасност при полевите шини: традиционният метод с бариери за искрозащита, концепцията FISCO и технологията High Power Trunk (HPT).

Първият от тях се основава на използването на бариери за искрозащита и реализира изпитана концепция, която е била използвана в системи за управление на базата на аналогови сигнали 4-20 мА. Този метод е прост и надежден, но ограничава захранването на полевите устройства в експлозивните Зони 0 и 1 до 80 мА. В този случай, при оптимистична прогноза, е възможно да се свържат не повече от 4 полеви устройства на сегмент с потребление от 20 мА, но на практика не повече от 2. В такъв случай системата губи всички предимства на Foundation Fieldbus и фактически води до точково свързване, при което за свързване на голям брой полеви устройства системата трябва да бъде разделена на множество сегменти. Освен това, този метод значително ограничава дължината на магистралния кабел и разклоненията.

Концепцията FISCO беше разработена от «Националния метрологичен институт на Германия» и по-късно влезе в стандартите на МЕК, а след това и в ГОСТ. За гарантиране на искробезопасността на полевата мрежа концепцията предвижда използването на компоненти, които отговарят на определени ограничения. Подобни ограничения се формулират за захранващите устройства по изходна мощност, за полевите устройства по консумирана мощност и индуктивност и за кабелите по съпротивление, капацитет и индуктивност. Тези ограничения са свързани с факта, че капацитивните и индуктивните елементи могат да натрупват енергия, която в режим на авария, в случай на повреда на някой елемент от системата, може да се освободи и да предизвика искрово разреждане. Освен това концепцията забранява използването на резервиране в системата за захранване на шината.

FISCO предоставя голяма стойност на тока за захранване на устройства в експлозивни зони в сравнение с метода на полевите бариери. Тук са налични 115 мА, които могат да се използват за захранване на 4-5 устройства в сегмента. Въпреки това, тук съществуват ограничения за дължината на главния кабел и разклоненията.

Технологията High Power Trunk в момента е най-разпространената технология за осигуряване на искробезопасност в мрежите Foundation Fieldbus, тъй като е лишена от недостатъците, които присъстват в мрежите, защитени с бариери или изградени по спецификации на FISCO. С използването на HPT стана възможно постигането на максималната стойност на полевите устройства в мрежовия сегмент.

Технологията не ограничава електрическите параметри на мрежата там, където това не е необходимо, например, на магистрална комуникационна линия, където няма нужда от подмяна или обслужване на оборудването. За свързване на полеви устройства, разположени в опасни зони, се използват устройства за свързване с функционалност на полеви бариери, които ограничават електрическите параметри на мрежата за захранване на датчиците и се разполагат непосредствено до обекта за управление. В този случай по цялата дължина на сегмента се използва тип взривозащита Ex e (повишена защита).

Източник: habr.com