Foundation Fieldbus és un sistema de comunicació digital utilitzat en automatització juntament amb Profibus, Modbus o HART. La tecnologia va aparèixer una mica més tard que els seus competidors: la primera edició de l'estàndard data de 1996 i actualment inclou dos protocols per a l'intercanvi d'informació entre els participants de la xarxa: H1 i HSE (Ethernet d'alta velocitat).
El protocol H1 s'utilitza per a l'intercanvi d'informació a nivell de sensor i controlador, i la seva xarxa es basa en l'estàndard de capa física IEC 61158-2, que permet una velocitat de transferència de dades de 31,25 kbit/s. En aquest cas, és possible subministrar energia als dispositius de camp des del bus de dades. La xarxa HSE es basa en xarxes Ethernet d'alta velocitat (100/1000 Mbit/s) i s'utilitza per construir una xarxa de sistema de control de processos automatitzat a nivell de controladors i sistemes de gestió empresarial.
La tecnologia és aplicable a la construcció de sistemes de control de processos automatitzats per a qualsevol instal·lació industrial, però està més estesa a les empreses de la indústria del petroli i del gas i la indústria química.
Capacitats tecnològiques
Foundation Fieldbus es va desenvolupar com una alternativa al model tradicional de sistemes de control automatitzat basats en sensors analògics i té una sèrie d'avantatges tant respecte al model tradicional com als sistemes digitals basats en Profibus o HART.
Un dels principals avantatges és l'alt grau de fiabilitat i tolerància a errors dels sistemes H1, que s'aconsegueix a causa de dos factors:
- ús de dispositius intel·ligents (sensors i actuadors) a nivell de camp;
- la capacitat d'organitzar l'intercanvi d'informació directament entre dispositius a nivell de camp sense la participació d'un controlador.
La intel·ligència dels dispositius de camp rau en la capacitat d'implementar algorismes de control i processament de la informació que tradicionalment s'implementen al controlador. A la pràctica, això permet que el sistema continuï funcionant fins i tot si el controlador falla. Això requereix que els dispositius de camp estiguin configurats adequadament i que es proporcioni una font d'alimentació de bus de camp fiable.
Els avantatges addicionals derivats de la digitalització del sistema de control i l'ús de sensors intel·ligents inclouen la capacitat d'obtenir més dades més enllà de la mesura de cada dispositiu de camp, ampliant en última instància l'abast de la monitorització del procés que en els sistemes analògics tradicionals es limita al sistema d'entrada/sortida de senyal. . .
L'ús de la topologia de bus a la xarxa H1 permet reduir la longitud de les línies de cable, la quantitat de treball d'instal·lació i eliminar l'ús d'equips addicionals en sistemes de control: mòduls d'entrada/sortida, fonts d'alimentació i zones perilloses - barreres de protecció contra espurnes.
L'H1 permet l'ús de cables de comunicació del sensor de 4-20 mA, que es poden utilitzar quan s'actualitzen sistemes de control més antics. Gràcies a l'ús de principis de seguretat intrínseca, la tecnologia s'utilitza activament en entorns explosius. L'estandardització en si garanteix la intercanviabilitat i la compatibilitat dels equips de diferents fabricants, i gràcies als dispositius de passarel·la és possible connectar una xarxa de dispositius de camp i una xarxa de sistemes de control industrial d'empreses construïdes sobre Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 és més semblant als sistemes Profibus PA. Ambdues tecnologies es basen en el mateix estàndard de capa física, de manera que aquests sistemes tenen les mateixes velocitats de transferència de dades, l'ús de la codificació de Manchester, els paràmetres elèctrics de la línia de comunicació, la quantitat de potència transmesa possible i la longitud màxima de cable permesa en una xarxa. segment (1900 m). A més, en ambdós sistemes és possible utilitzar fins a 4 repetidors, de manera que la longitud del segment ja pot arribar als 9,5 km. Són habituals les possibles topologies de xarxa en el sistema de control, així com els principis per garantir la seguretat intrínseca.
Components del sistema
Els elements principals de la xarxa Foundation Fieldbus H1 són:
- controlador del sistema de control descentralitzat (DCS);
- fonts d'alimentació de bus de camp;
- dispositius d'interfície de bloc o modulars;
- terminadors d'autobús;
- dispositius de camp intel·ligents.
El sistema també pot contenir dispositius de passarel·la (Linking Device), convertidors de protocols, SPD i repetidors.
Topologia de xarxa
Un concepte important a la xarxa H1 és el concepte de segment. És una línia de comunicació principal (Trunk), amb branques que s'estenen des d'ella (Spur), a la qual es connecten dispositius de camp. El cable troncal comença a la font d'alimentació del bus i normalment acaba a l'últim dispositiu d'interfície. Es permeten quatre tipus de topologia per a la comunicació entre el controlador i els dispositius de camp: punt a punt, bucle, bus i arbre. Cada segment es pot construir utilitzant una topologia separada o utilitzant les seves combinacions.
Amb una topologia punt a punt, cada dispositiu de camp està connectat directament al controlador. En aquest cas, cada dispositiu de camp connectat forma el seu propi segment de xarxa. Aquesta topologia és inconvenient perquè priva el sistema de gairebé tots els avantatges inherents a Foundation Fieldbus. Hi ha massa interfícies al controlador i per alimentar els dispositius de camp des del bus de dades, cada línia de comunicació ha de tenir la seva pròpia font d'alimentació del bus de camp. La longitud de les línies de comunicació resulta massa llarga i l'intercanvi d'informació entre dispositius només es realitza mitjançant el controlador, la qual cosa no permet utilitzar el principi d'alta tolerància a errors dels sistemes H1.
La topologia de bucle implica una connexió en sèrie de dispositius de camp entre si. Aquí, tots els dispositius de camp es combinen en un segment, el que permet l'ús de menys recursos. Tanmateix, aquesta topologia també té desavantatges: en primer lloc, cal proporcionar mètodes en què la fallada d'un dels sensors intermedis no provoqui una pèrdua de comunicació amb els altres. Un altre inconvenient s'explica per la manca de protecció contra un curtcircuit a la línia de comunicació, en la qual l'intercanvi d'informació en el segment serà impossible.
Altres dues topologies de xarxa tenen la major fiabilitat i practicitat: la topologia de bus i d'arbre, que han trobat la major distribució a la pràctica quan es construeixen xarxes H1. La idea darrere d'aquestes topologies és utilitzar dispositius d'interfície per connectar dispositius de camp a la columna vertebral. Els dispositius d'acoblament permeten connectar cada dispositiu de camp a la seva pròpia interfície.
Configuració de la xarxa
Les preguntes importants a l'hora de construir una xarxa H1 són els seus paràmetres físics: quants dispositius de camp es poden utilitzar en un segment, quina és la longitud màxima d'un segment, quant de llarg poden ser les branques. La resposta a aquestes preguntes depèn del tipus d'alimentació i el consum d'energia dels dispositius de camp, i per a les zones perilloses, dels mètodes per garantir la seguretat intrínseca.
El nombre màxim de dispositius de camp en un segment (32) només es pot aconseguir si s'alimenten de fonts locals del lloc i si la seguretat intrínseca no està disponible. Quan s'alimenten sensors i actuadors des del bus de dades, el nombre màxim de dispositius només pot ser de 12 o menys, depenent dels mètodes de seguretat intrínseca.
Dependència del nombre de dispositius de camp del mètode d'alimentació i mètodes per garantir la seguretat intrínseca.
La longitud del segment de xarxa ve determinada pel tipus de cable utilitzat. La longitud màxima de 1900 m s'aconsegueix amb cable tipus A (parell trenat amb blindatge). Quan s'utilitza un cable tipus D (cable multifils no trenat amb un blindatge comú): només 200 m La longitud d'un segment s'entén com la suma de les longituds del cable principal i totes les branques d'aquest.
Dependència de la longitud del segment del tipus de cable.
La longitud de les branques depèn del nombre de dispositius del segment de xarxa. Per tant, amb el nombre de dispositius fins a 12, això és un màxim de 120 m. Quan s'utilitzen 32 dispositius en un segment, la longitud màxima de les branques serà de només 1 m. Quan es connecten dispositius de camp amb un bucle, cada dispositiu addicional redueix la longitud de la branca en 30 m.
Dependència de la longitud de les branques del cable principal del nombre de dispositius de camp del segment.
Tots aquests factors afecten directament l'estructura i la topologia del sistema. Per accelerar el procés de disseny de la xarxa, s'utilitzen paquets de programari especials, com ara DesignMate de FieldComm Group o Fieldbus Network Planner de Phoenix Contact. Els programes permeten calcular els paràmetres físics i elèctrics de la xarxa H1, tenint en compte totes les restriccions possibles.
Finalitat dels components del sistema
Controlador
La tasca del controlador és implementar les funcions del Link Active Scheduler (LAS), el dispositiu principal que gestiona la xarxa enviant missatges de servei. LAS inicia l'intercanvi d'informació entre els participants de la xarxa amb missatges planificats (programats) o no programats, diagnostica i sincronitza tots els dispositius.
A més, el controlador és responsable de l'adreçament automàtic dels dispositius de camp i actua com a dispositiu de passarel·la, proporcionant una interfície Ethernet per a la comunicació amb el nivell superior del sistema de control basat en Foundation Fieldbus HSE o un altre protocol de comunicació. Al nivell superior del sistema, el controlador proporciona funcions de monitorització i control de l'operador, així com funcions per a la configuració remota dels dispositius de camp.
Pot haver-hi diversos Active Link Schedulers a la xarxa, garantint la redundància de les funcions incrustades en ells. En els sistemes moderns, les funcions LAS es poden implementar en un dispositiu de passarel·la que actua com a convertidor de protocols per a sistemes de control basats en un estàndard diferent del Foundation Fieldbus HSE.
Fonts d'alimentació de bus de camp
El sistema d'alimentació a la xarxa H1 juga un paper clau, perquè perquè l'intercanvi de dades sigui possible, la tensió del cable de dades s'ha de mantenir en el rang de 9 a 32 V DC. Tant si els dispositius de camp són alimentats pel bus de dades com amb fonts d'alimentació de camp, la xarxa requereix fonts d'alimentació de bus.
Per tant, la seva finalitat principal és mantenir els paràmetres elèctrics requerits al bus, així com alimentar els dispositius connectats a la xarxa. Les fonts d'alimentació de bus es diferencien de les fonts d'alimentació convencionals perquè tenen una impedància del circuit de sortida corresponent a les freqüències de transmissió de dades. Si utilitzeu directament fonts d'alimentació de 1 o 12 V per alimentar la xarxa H24, el senyal es perdrà i l'intercanvi d'informació al bus no serà possible.
Fonts d'alimentació de bus de camp redundants FB-PS (conjunt per a 4 segments).
Donada la importància de proporcionar una alimentació de bus fiable, les fonts d'alimentació per a cada segment de xarxa poden ser redundants. Les fonts d'alimentació FB-PS de Phoenix Contact admeten la tecnologia Auto Current Balancing. ASV proporciona una càrrega simètrica entre les fonts d'alimentació, que té un efecte beneficiós en les seves condicions de temperatura i, en última instància, condueix a un augment de la seva vida útil.
El sistema d'alimentació H1 normalment es troba a l'armari del controlador.
Dispositius d'interfície
Els dispositius d'acoblament estan dissenyats per connectar un grup de dispositius de camp al bus de dades principal. En funció de les funcions que realitzen, es divideixen en dos tipus: mòduls de protecció de segments (Segment Protectors) i barreres de camp (Field Barriers).
Independentment del tipus, els dispositius d'interfície protegeixen la xarxa de curtcircuits i sobreintensitats a les línies sortints. Quan es produeix un curtcircuit, el dispositiu d'interfície bloqueja el port d'interfície, evitant que el curtcircuit s'estengui per tot el sistema i garanteix així l'intercanvi d'informació entre altres dispositius de xarxa. Després d'eliminar el curtcircuit a la línia, el port de comunicació prèviament bloquejat torna a funcionar.
Les barreres de camp també proporcionen aïllament galvànic entre els circuits no intrínsecament segurs del bus principal i els circuits intrínsecament segurs dels dispositius de camp connectats (branques).
Físicament, els dispositius d'interfície també són de dos tipus: blocs i modulars. Els dispositius d'interfície de bloc del tipus FB-12SP amb funcionalitat de protecció de segments us permeten utilitzar circuits IC intrínsecament segurs per connectar dispositius de camp a la Zona 2, i les barreres de camp ISO FB-12SP us permeten connectar dispositius a les Zones 1 i 0 mitjançant IA intrínsecament segura. circuits.
Acobladors FB-12SP i FB-6SP de Phoenix Contact.
Un dels avantatges dels dispositius modulars és la possibilitat d'escalar el sistema seleccionant el nombre de canals necessaris per connectar els dispositius de camp. A més, els dispositius modulars permeten la creació d'estructures flexibles. En un armari de distribució és possible combinar mòduls de protecció de segments i barreres de camp, és a dir, connectar dispositius de camp situats en diferents zones de perill d'explosió des d'un mateix armari. En total, es poden instal·lar fins a 12 mòduls FB-2SP de doble canal o mòduls de barrera FB-ISO d'un sol canal en un bus, connectant així des d'un armari a 24 dispositius de camp a la Zona 2 o fins a 12 sensors a la Zona 1 o 0.
Els dispositius d'interfície es poden operar en un ampli rang de temperatures i s'instal·len en tancaments a prova d'explosió Ex e, Ex d amb un grau de protecció contra la pols i la humitat d'almenys IP54, inclòs el més a prop possible de l'objecte de control.
Dispositius de protecció contra sobretensions
Les xarxes a nivell de camp H1 poden formar segments molt llargs, i les línies de comunicació poden funcionar en llocs on són possibles sobretensió. Les sobretensions d'impuls s'entenen com les diferències de potencial induïdes causades per descàrregues de llamps o curtcircuits en línies de cable properes. La tensió induïda, la magnitud de la qual és de l'ordre de diversos quilovolts, provoca el flux de corrents de descàrrega de quiloamperes. Tots aquests fenòmens es produeixen en microsegons, però poden provocar una fallada dels components de la xarxa H1. Per protegir l'equip d'aquests fenòmens, cal utilitzar un SPD. L'ús d'SPD en comptes de terminals de pas convencionals garanteix un funcionament fiable i segur del sistema en condicions adverses.
El principi del seu funcionament es basa en l'ús d'un circuit quasi-curt en el rang de nanosegons per al flux de corrents de descàrrega en un circuit que utilitza elements que poden suportar el flux de corrents d'aquesta magnitud.
Hi ha un gran nombre de tipus d'SPD: d'un sol canal, de doble canal, amb endolls reemplaçables, amb diversos tipus de diagnòstic, en forma d'intermitent, contacte sec. Les eines de diagnòstic d'última generació de Phoenix Contact us permeten supervisar els protectors de sobretensions mitjançant serveis digitals basats en Ethernet. La planta de la companyia a Rússia produeix dispositius certificats per al seu ús en entorns explosius, inclosos els sistemes Foundation Fieldbus.
Terminador de bus
El terminador realitza dues funcions a la xarxa: deriva el corrent del bus de camp, que sorgeix com a resultat de la modulació del senyal i impedeix que el senyal es reflecteixi des dels extrems de la línia principal, evitant així l'aparició de soroll i fluctuació ( jitter de fase). del senyal digital). Així, el terminador us permet evitar l'aparició de dades inexactes a la xarxa o la pèrdua de dades del tot.
Cada segment de la xarxa H1 ha de tenir dos terminadors a cada extrem del segment. Les fonts d'alimentació i els acobladors de bus de Phoenix Contact estan equipats amb terminadors commutables. La presència de terminadors addicionals a la xarxa, per exemple, a causa d'un error, reduirà significativament el nivell de senyal a la línia d'interfície.
Intercanvi d'informació entre segments
L'intercanvi d'informació entre dispositius de camp no es limita a un segment, sinó que és possible entre diferents seccions de la xarxa, que es poden connectar mitjançant un controlador o una xarxa empresarial basada en Ethernet. En aquest cas, es pot utilitzar el protocol Foundation Fieldbus HSE o un de més popular, per exemple, Modbus TCP.
Quan es construeix una xarxa HSE, s'utilitzen commutadors de grau industrial. El protocol permet la redundància d'anell. En aquest cas, val la pena recordar que en una topologia en anell, els commutadors han d'utilitzar un dels protocols de redundància (RSTP, MRP o Extended Ring Redundancy) en funció de la mida i del temps de convergència de la xarxa requerit quan els canals de comunicació estan trencats.
La integració de sistemes basats en HSE amb sistemes de tercers és possible mitjançant la tecnologia OPC.
Mètodes a prova d'explosió
Per crear un sistema a prova d'explosió, no n'hi ha prou amb guiar-se només per les característiques a prova d'explosió de l'equip i l'elecció de la seva ubicació correcta al lloc. Dins del sistema, cada dispositiu no funciona per si sol, sinó que funciona dins d'una única xarxa. A les xarxes Foundation Fieldbus H1, l'intercanvi d'informació entre dispositius situats en diferents zones perilloses implica no només la transferència de dades, sinó també la transferència d'energia elèctrica. La quantitat d'energia que era acceptable en una zona pot no ser acceptable en una altra. Per tant, per avaluar la seguretat contra les explosions de les xarxes de camp i seleccionar el mètode òptim per garantir-la, s'utilitza un enfocament sistemàtic. Entre aquests mètodes, els mètodes per garantir la seguretat intrínseca són els més utilitzats.
Pel que fa als busos de camp, actualment hi ha diverses maneres d'aconseguir la seguretat intrínseca: el mètode tradicional de barrera IS, el concepte FISCO i High Power Trunk Technology (HPT).
El primer es basa en l'ús de barreres IS i implementa un concepte provat que s'ha utilitzat en sistemes de control basats en senyals analògics de 4-20 mA. Aquest mètode és senzill i fiable, però limita la font d'alimentació als dispositius de camp en zones perilloses 0 i 1 a 80 mA. En aquest cas, segons una previsió optimista, és possible connectar no més de 4 dispositius de camp per segment amb un consum de 20 mA, però a la pràctica no més de 2. En aquest cas, el sistema perd tots els avantatges existents. a Foundation Fieldbus i en realitat condueix a una topologia punt a punt, quan connectar un gran nombre de dispositius de camp, el sistema s'ha de dividir en molts segments. Aquest mètode també limita significativament la longitud del cable principal i les branques.
El concepte FISCO va ser desenvolupat per l'"Institut Metrològic Nacional d'Alemanya" i més tard es va incloure a les normes IEC i després a GOST. Per garantir la seguretat intrínseca de la xarxa de camp, el concepte implica l'ús de components que compleixen determinades restriccions. Es formulen restriccions similars per a fonts d'alimentació en termes de potència de sortida, per a dispositius de camp en termes de consum d'energia i inductància, per cables en termes de resistència, capacitat i inductància. Aquestes restriccions es deuen al fet que els elements capacitius i inductius poden acumular energia, que en mode d'emergència, en cas de dany a qualsevol element del sistema, es pot alliberar i provocar una descàrrega d'espurna. A més, el concepte prohibeix l'ús de redundància en el sistema d'alimentació del bus.
FISCO proporciona major corrent per alimentar dispositius en zones perilloses en comparació amb el mètode de barrera de camp. Aquí hi ha disponible 115 mA, que es pot utilitzar per alimentar 4-5 dispositius del segment. Tanmateix, també hi ha restriccions sobre la longitud del cable principal i les branques.
La tecnologia High Power Trunk és actualment la tecnologia de seguretat intrínseca més comuna a les xarxes Foundation Fieldbus perquè elimina els inconvenients que existeixen a les xarxes protegides amb barreres o FISCO. Amb l'ús d'HPT, és possible aconseguir el límit de dispositius de camp en un segment de xarxa.
La tecnologia no limita els paràmetres elèctrics de la xarxa on això no és necessari, per exemple, en una línia de comunicació troncal, on no hi ha necessitat de manteniment i substitució d'equips. Per connectar dispositius de camp situats en una zona explosiva, s'utilitzen dispositius d'interfície amb la funcionalitat de barreres de camp, que limiten els paràmetres elèctrics de la xarxa per alimentar els sensors i es troben directament al costat de l'objecte de control. En aquest cas, s'utilitza el tipus de protecció contra explosions Ex e (protecció augmentada) en tot el segment.
Font: www.habr.com