Системи за автоматизация, базирани на Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus е цифрова комуникационна система, използвана в автоматизацията заедно с Profibus, Modbus или HART. Технологията се появи малко по-късно от своите конкуренти: първото издание на стандарта датира от 1996 г. и в момента включва два протокола за обмен на информация между участниците в мрежата - H1 и HSE (High Speed ​​​​Ethernet).

Протоколът H1 се използва за обмен на информация на ниво сензор и контролер, а мрежата му е базирана на стандарта за физически слой IEC 61158-2, позволяващ скорост на трансфер на данни от 31,25 kbit/s. В този случай е възможно захранването на полеви устройства от шината за данни. HSE мрежата е базирана на високоскоростни Ethernet мрежи (100/1000 Mbit/s) и се използва за изграждане на автоматизирана мрежа от системи за управление на процеси на ниво контролери и системи за управление на предприятието.

Технологията е приложима при изграждането на автоматизирани системи за управление на технологични процеси за всякакви промишлени обекти, но най-разпространена е в предприятията от нефтената и газовата промишленост и химическата промишленост.

Технологични възможности

Foundation Fieldbus е разработен като алтернатива на традиционния модел на автоматизирани системи за управление, базирани на аналогови сензори и има редица предимства както пред традиционния модел, така и пред цифровите системи, базирани на Profibus или HART.

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

• използване на интелигентни устройства (сензори и изпълнителни механизми) на полево ниво;
• възможност за организиране на обмен на информация директно между устройства на полево ниво без участието на контролер.

Интелигентността на полевите устройства се състои в способността да се реализират алгоритми за управление и обработка на информация, които традиционно се прилагат в контролера. На практика това позволява на системата да продължи да работи, дори ако контролерът се повреди. Това изисква полевите устройства да бъдат конфигурирани по подходящ начин и да бъде осигурено надеждно захранване на fieldbus.

Допълнителните предимства, произтичащи от цифровизацията на системата за управление и използването на интелигентни сензори, включват възможността за получаване на повече данни извън измерванията от всяко полево устройство, като в крайна сметка се разширява обхватът на мониторинг на процеса, който в традиционните аналогови системи е ограничен до система за вход/изход на сигнал ..

Използването на топология на шината в мрежата H1 позволява да се намали дължината на кабелните линии, количеството инсталационни работи и да се елиминира използването на допълнително оборудване в системите за управление: входно-изходни модули, захранващи устройства и в опасни зони - искрозащитни бариери.

Foundation Fieldbus H1 позволява използването на комуникационни кабели за сензори 4-20 mA, които могат да се използват при надграждане на по-стари системи за управление. Благодарение на използването на принципите за вътрешна безопасност, технологията се използва активно във взривоопасни среди. Самата стандартизация гарантира взаимозаменяемостта и съвместимостта на оборудването от различни производители, а благодарение на шлюзовите устройства е възможно да се свърже мрежа от полеви устройства и мрежа от индустриални системи за управление на предприятия, изградени на Ethernet.

Foundation Fieldbus H1 е най-подобен на системите Profibus PA. И двете технологии се основават на един и същ стандарт за физически слой, така че тези системи имат еднакви скорости на трансфер на данни, използване на кодиране на Манчестър, електрически параметри на комуникационната линия, количеството на възможната предадена мощност и максимално допустимата дължина на кабела в мрежа сегмент (1900 м). Също така и в двете системи е възможно да се използват до 4 повторителя, поради което дължината на сегмента вече може да достигне 9,5 км. Възможните мрежови топологии в системата за управление, както и принципите за осигуряване на вътрешна безопасност са общи.

Системни компоненти

Основните елементи на мрежата Foundation Fieldbus H1 са:

• контролер на децентрализирана система за управление (DCS);
• Захранващи устройства за полеви шини;
• блокови или модулни интерфейсни устройства;
• автобусни терминатори;
• интелигентни полеви устройства.

Системата може също да съдържа шлюзови устройства (свързващо устройство), преобразуватели на протоколи, SPD и повторители.

Мрежова топология

Важна концепция в мрежата H1 е концепцията за сегмент. Това е главна комуникационна линия (Trunk), с разклонения, простиращи се от нея (Spur), към които са свързани полеви устройства. Магистърският кабел започва от източника на захранване на шината и обикновено завършва при последното интерфейсно устройство. Разрешени са четири типа топология за комуникация между контролера и полеви устройства: точка до точка, контур, шина и дърво. Всеки сегмент може да бъде изграден или с помощта на отделна топология, или с помощта на техните комбинации.

При топология от точка до точка всяко полево устройство е свързано директно към контролера. В този случай всяко свързано полево устройство формира свой собствен мрежов сегмент. Тази топология е неудобна, защото лишава системата от почти всички предимства, присъщи на Foundation Fieldbus. Има твърде много интерфейси на контролера и за захранване на полеви устройства от шината за данни, всяка комуникационна линия трябва да има собствено захранване на полевата шина. Дължината на комуникационните линии се оказва твърде голяма, а обменът на информация между устройствата се извършва само чрез контролера, което не позволява да се използва принципът на висока отказоустойчивост на системите H1.

Топологията на веригата предполага серийно свързване на полеви устройства едно към друго. Тук всички полеви устройства са обединени в един сегмент, което позволява използването на по-малко ресурси. Тази топология обаче има и недостатъци - на първо място е необходимо да се осигурят методи, при които повредата на един от междинните сензори няма да доведе до загуба на комуникация с останалите. Друг недостатък се обяснява с липсата на защита срещу късо съединение в комуникационната линия, при което обменът на информация в сегмента ще бъде невъзможен.

С най-голяма надеждност и практичност се отличават други две мрежови топологии - шинна и дървовидна топология, които са намерили най-голямо разпространение в практиката при изграждане на H1 мрежи. Идеята зад тези топологии е да се използват интерфейсни устройства за свързване на полеви устройства към гръбнака. Свързващите устройства позволяват всяко полево устройство да бъде свързано към собствен интерфейс.

Мрежови настройки

Важни въпроси при изграждането на H1 мрежа са нейните физически параметри – колко полеви устройства могат да се използват в един сегмент, каква е максималната дължина на един сегмент, колко дълги могат да бъдат разклоненията. Отговорът на тези въпроси зависи от вида на захранването и потреблението на енергия на полевите устройства, а за опасните зони и методите за осигуряване на вътрешна безопасност.

Максималният брой полеви устройства в сегмент (32) може да бъде постигнат само ако те се захранват от местни източници на място и ако не е налична вътрешна безопасност. При захранване на сензори и изпълнителни механизми от шината за данни максималният брой устройства може да бъде само 12 или по-малко в зависимост от методите за вътрешна безопасност.

Зависимост на броя на полевите устройства от начина на захранване и методите за осигуряване на искробезопасност.

Дължината на мрежовия сегмент се определя от вида на използвания кабел. Максималната дължина от 1900 m се постига при използване на кабел тип А (усукана двойка с екран). При използване на кабел тип D (неусукан многожилен кабел с общ екран) - само 200 м. Дължината на сегмента се разбира като сумата от дължините на главния кабел и всички клонове от него.

Зависимост на дължината на сегмента от вида на кабела.

Дължината на клоновете зависи от броя на устройствата в мрежовия сегмент. Така че, с броя на устройствата до 12, това е максимум 120 м. При използване на 32 устройства в сегмент максималната дължина на разклоненията ще бъде само 1 м. При свързване на полеви устройства с контур, всяко допълнително устройство намалява дължината на клона с 30м.

Зависимост на дължината на разклоненията от главния кабел от броя на полевите устройства в сегмента.

Всички тези фактори пряко влияят върху структурата и топологията на системата. За ускоряване на процеса на проектиране на мрежата се използват специални софтуерни пакети, като DesignMate от FieldComm Group или Fieldbus Network Planner от Phoenix Contact. Програмите ви позволяват да изчислите физическите и електрическите параметри на мрежата H1, като вземете предвид всички възможни ограничения.

Предназначение на компонентите на системата

контрольор

Задачата на контролера е да изпълнява функциите на Link Active Scheduler (LAS), основното устройство, което управлява мрежата чрез изпращане на служебни съобщения. LAS инициира обмен на информация между участниците в мрежата с планирани (планирани) или непланирани съобщения, диагностицира и синхронизира всички устройства.

В допълнение, контролерът е отговорен за автоматичното адресиране на полеви устройства и действа като шлюзово устройство, осигуряващо Ethernet интерфейс за комуникация с горното ниво на системата за управление, базирано на Foundation Fieldbus HSE или друг комуникационен протокол. На най-високо ниво на системата контролерът осигурява функции за наблюдение и контрол на оператора, както и функции за дистанционно конфигуриране на полеви устройства.

В мрежата може да има няколко Active Link Schedulers, гарантиращи резервирането на функциите, вградени в тях. В съвременните системи функциите на LAS могат да бъдат внедрени в шлюзово устройство, което действа като конвертор на протоколи за системи за управление, изградени на стандарт, различен от Foundation Fieldbus HSE.

Fieldbus захранвания

Системата за захранване в мрежата H1 играе ключова роля, тъй като за да е възможен обменът на данни, напрежението в кабела за данни трябва да се поддържа в диапазона от 9 до 32 V DC. Независимо дали полевите устройства се захранват от шината за данни или от полеви захранвания, мрежата изисква захранване от шина.

Следователно основната им цел е да поддържат необходимите електрически параметри на шината, както и да захранват устройствата, свързани към мрежата. Захранващите устройства за шина се различават от конвенционалните захранващи устройства по това, че имат съответен импеданс на изходната верига при честотите на предаване на данни. Ако използвате директно 1 или 12 V захранвания за захранване на мрежата H24, сигналът ще бъде загубен и обменът на информация по шината няма да бъде възможен.

Резервни захранвания на полева шина FB-PS (монтаж за 4 сегмента).

Като се има предвид значението на осигуряването на надеждно захранване на шината, захранванията за всеки мрежов сегмент могат да бъдат излишни. Захранващите устройства FB-PS на Phoenix Contact поддържат технология за автоматично балансиране на тока. ASV осигурява симетрично натоварване между източниците на захранване, което има благоприятен ефект върху техните температурни условия и в крайна сметка води до увеличаване на експлоатационния им живот.

Системата за захранване H1 обикновено се намира в шкафа на контролера.

Интерфейсни устройства

Свързващите устройства са предназначени за свързване на група полеви устройства към главната шина за данни. В зависимост от функциите, които изпълняват, те се разделят на два вида: сегментни защитни модули (Segment Protectors) и полеви бариери (Field Barriers).

Независимо от вида, интерфейсните устройства защитават мрежата от късо съединение и свръхток в изходящите линии. Когато възникне късо съединение, интерфейсното устройство блокира интерфейсния порт, предотвратявайки разпространението на късото съединение в системата и по този начин гарантира обмен на информация между други мрежови устройства. След отстраняване на късото съединение на линията, блокираният преди това комуникационен порт започва да работи отново.

Полевите бариери допълнително осигуряват галванична изолация между неискробезопасни вериги на главната шина и искробезопасни вериги на свързани полеви устройства (клонове).

Физически интерфейсните устройства също са два вида - блокови и модулни. Блокови интерфейсни устройства от типа FB-12SP с функционалност за защита на сегмента ви позволяват да използвате искробезопасни IC вериги за свързване на полеви устройства в зона 2, а FB-12SP ISO полеви бариери ви позволяват да свързвате устройства в зони 1 и 0, използвайки искробезопасни IA вериги.

Съединители FB-12SP и FB-6SP от Phoenix Contact.

Едно от предимствата на модулните устройства е възможността за мащабиране на системата чрез избор на броя канали, необходими за свързване на полеви устройства. В допълнение, модулните устройства позволяват създаването на гъвкави структури. В един разпределителен шкаф е възможно да се комбинират сегментни защитни модули и полеви бариери, т.е. да се свържат полеви устройства, разположени в различни взривоопасни зони от един шкаф. Общо до 12 двуканални FB-2SP модула или едноканални FB-ISO бариерни модули могат да бъдат инсталирани на една шина, като по този начин се свързват от един шкаф към 24 полеви устройства в Зона 2 или до 12 сензора в Зона 1 или 0.

Интерфейсните устройства могат да работят в широк температурен диапазон и се монтират във взривозащитени корпуси Ex e, Ex d със степен на защита от прах и влага най-малко IP54, включително възможно най-близо до обекта на управление.

Устройства за защита от пренапрежение

Мрежите на ниво поле H1 могат да формират много дълги сегменти и комуникационните линии могат да преминават на места, където са възможни пренапрежения. Импулсните пренапрежения се разбират като индуцирани потенциални разлики, причинени от гръмотевични разряди или късо съединение в близките кабелни линии. Индуцираното напрежение, чиято величина е от порядъка на няколко киловолта, предизвиква протичане на разрядни токове от килоампери. Всички тези явления се случват в рамките на микросекунди, но могат да доведат до повреда на H1 мрежовите компоненти. За да защитите оборудването от подобни явления, е необходимо да използвате SPD. Използването на SPD вместо конвенционалните проходни клеми гарантира надеждна и безопасна работа на системата при неблагоприятни условия.

Принципът на неговата работа се основава на използването на квази-късо съединение в наносекундния диапазон за протичане на разрядни токове във верига, която използва елементи, които могат да издържат на протичане на токове с такава величина.

Има голям брой видове SPD: едноканални, двуканални, със сменяеми щепсели, с различни видове диагностика - под формата на мигач, сух контакт. Най-съвременните инструменти за диагностика от Phoenix Contact ви позволяват да наблюдавате предпазители от пренапрежение с помощта на цифрови услуги, базирани на Ethernet. Заводът на компанията в Русия произвежда устройства, сертифицирани за използване във взривоопасна среда, включително системи Foundation Fieldbus.

Автобусен терминатор

Терминаторът изпълнява две функции в мрежата - шунтира тока на полевата шина, който възниква в резултат на модулация на сигнала и предотвратява отразяването на сигнала от краищата на основната линия, като по този начин предотвратява появата на шум и трептене (фазов джитър на цифровия сигнал). По този начин терминаторът ви позволява да избегнете появата на неточни данни в мрежата или пълната загуба на данни.

Всеки сегмент от мрежата H1 трябва да има два терминатора във всеки край на сегмента. Захранванията и съединителите на шината на Phoenix Contact са оборудвани с превключваеми терминатори. Наличието на допълнителни терминатори в мрежата, например поради грешка, значително ще намали нивото на сигнала в интерфейсната линия.

Обмен на информация между сегментите

Обменът на информация между полеви устройства не е ограничен до един сегмент, а е възможен между различни секции на мрежата, които могат да бъдат свързани чрез контролер или базирана на Ethernet заводска мрежа. В този случай може да се използва протоколът Foundation Fieldbus HSE или по-популярен, например Modbus TCP.

При изграждането на HSE мрежа се използват индустриални комутатори. Протоколът позволява резервиране на пръстена. В този случай си струва да запомните, че в пръстеновидната топология комутаторите трябва да използват един от протоколите за резервиране (RSTP, MRP или Extended Ring Redundancy) в зависимост от размера и необходимото време за конвергенция на мрежата, когато комуникационните канали са прекъснати.

Интегрирането на базирани на HSE системи със системи на трети страни е възможно чрез OPC технология.

Взривобезопасни методи

За да създадете взривозащитена система, не е достатъчно да се ръководите само от взривозащитените характеристики на оборудването и избора на правилното му местоположение на обекта. В рамките на системата всяко устройство не функционира самостоятелно, а работи в рамките на една мрежа. В мрежите Foundation Fieldbus H1 обменът на информация между устройства, разположени в различни опасни зони, включва не само пренос на данни, но и пренос на електрическа енергия. Количеството енергия, което е приемливо в една зона, може да не е приемливо в друга. Следователно, за да се оцени взривобезопасността на полевите мрежи и да се избере оптималният метод за нейното осигуряване, се използва систематичен подход. Сред тези методи най-широко използвани са методите за осигуряване на вътрешна безопасност.

Що се отнася до полевите шини, в момента има няколко начина за постигане на присъща безопасност: традиционният метод на IS бариерата, концепцията FISCO и High Power Trunk Technology (HPT).

Първият се основава на използването на IS бариери и прилага доказана концепция, която е била използвана в системи за управление, базирани на аналогови сигнали 4-20 mA. Този метод е прост и надежден, но ограничава захранването на полеви устройства в опасни зони 0 и 1 до 80 mA. В този случай, според оптимистична прогноза, е възможно да се свържат не повече от 4 полеви устройства на сегмент с консумация от 20 mA, но на практика не повече от 2. В този случай системата губи всички предимства, които съществуват във Foundation Fieldbus и всъщност води до топология от точка до точка, когато за свързване на голям брой полеви устройства системата трябва да бъде разделена на много сегменти. Този метод също значително ограничава дължината на главния кабел и разклоненията.

Концепцията FISCO е разработена от „Националния метрологичен институт на Германия“ и по-късно е включена в стандартите на IEC, а след това и в GOST. За да се гарантира присъщата безопасност на полевата мрежа, концепцията включва използването на компоненти, които отговарят на определени ограничения. Подобни ограничения са формулирани за захранващи устройства по отношение на изходна мощност, за полеви устройства по отношение на консумация на енергия и индуктивност, за кабели по отношение на съпротивление, капацитет и индуктивност. Такива ограничения се дължат на факта, че капацитивните и индуктивните елементи могат да натрупват енергия, която в авариен режим, в случай на повреда на който и да е елемент от системата, може да се освободи и да предизвика искров разряд. Освен това концепцията забранява използването на резервиране в захранващата система на шините.

FISCO осигурява по-голям ток за захранване на устройства в опасни зони в сравнение с метода на полевата бариера. Тук са налични 115 mA, които могат да се използват за захранване на 4-5 устройства в сегмента. Съществуват обаче и ограничения за дължината на главния кабел и разклоненията.

Технологията High Power Trunk в момента е най-разпространената технология за вътрешна безопасност в мрежите Foundation Fieldbus, тъй като няма недостатъците, които съществуват в защитените с бариери или FISCO мрежи. С използването на HPT е възможно да се постигне лимитът на полеви устройства в мрежов сегмент.

Технологията не ограничава електрическите параметри на мрежата там, където това не е необходимо, например на опорна комуникационна линия, където няма нужда от поддръжка и подмяна на оборудване. За свързване на полеви устройства, разположени във взривоопасна зона, се използват интерфейсни устройства с функционалност на полеви бариери, които ограничават електрическите параметри на мрежата за захранване на сензорите и се намират непосредствено до обекта за управление. В този случай типът защита от експлозия Ex e (повишена защита) се използва в целия сегмент.

Източник: www.habr.com