Foundation Fieldbus hè un sistema di cumunicazione digitale utilizatu in l'automatizazione cù Profibus, Modbus o HART. A tecnulugia apparsu un pocu più tardi di i so cuncurrenti: a prima edizione di u standard data di u 1996 è attualmente include dui protokolli per u scambiu d'infurmazioni trà i participanti di a rete - H1 è HSE (High Speed Ethernet).
U protokollu H1 hè utilizatu per u scambiu d'infurmazioni à i livelli di sensori è controller, è a so rete hè basata nantu à u standard di strata fisica IEC 61158-2, chì permette una velocità di trasferimentu di dati di 31,25 kbit/s. In questu casu, hè pussibule furnisce u putere à i dispositi di campu da u bus di dati. A reta HSE hè basatu annantu à e rete Ethernet d'alta velocità (100/1000 Mbit/s) è hè aduprata per custruisce una rete di sistema di cuntrollu di prucessu automatizatu à u livellu di i cuntrolli è i sistemi di gestione di l'impresa.
A tecnulugia hè applicabile in a custruzzione di sistemi di cuntrollu di prucessu automatizatu per ogni stabilimentu industriale, ma hè più diffusa in l'imprese in l'industria di l'oliu è di u gasu è l'industria chimica.
Capacità di tecnulugia
Foundation Fieldbus hè stata sviluppata cum'è una alternativa à u mudellu tradiziunale di sistemi di cuntrollu automatizatu basatu nantu à sensori analogichi è hà una quantità di vantaghji annantu à u mudellu tradiziunale è i sistemi digitali basati in Profibus o HART.
Unu di i vantaghji principali hè l'altu gradu di affidabilità è a toleranza di difetti di i sistemi H1, chì hè ottenuta per dui fattori:
- usu di dispusitivi intelligenti (sensori è attuatori) à u livellu di u campu;
- a capacità di urganizà u scambiu d'infurmazioni direttamente trà i dispusitivi à livellu di campu senza a participazione di un controller.
L'intelligenza di i dispositi di campu si trova in a capacità di implementà algoritmi di cuntrollu è di trasfurmazioni di l'infurmazioni chì sò tradizionalmente implementati in u controller. In pratica, questu permette à u sistema di cuntinuà à u funziunamentu ancu se u controller falla. Questu richiede chì i dispositi di campu sò cunfigurati in modu appropritatu è chì una alimentazione di bus di campu affidabile sia furnita.
Beneficii supplementari derivati da a digitalizazione di u sistema di cuntrollu è l'usu di sensori intelligenti includenu l'abilità di ottene più dati oltre a misurazione da ogni dispusitivu di campu, infine espansione u scopu di u monitoraghju di u prucessu chì in i sistemi analogichi tradiziunali hè limitatu à u sistema di input / output di signale. . .
L'usu di a topologia di bus in a reta H1 permette di riduce a lunghezza di e linee di cable, a quantità di travagliu di stallazione, è eliminà l'usu di l'equipaggiu supplementu in i sistemi di cuntrollu: moduli di input / output, alimentazione, è in spazii periculosi - barriere di prutezzione di scintille.
L'H1 permette l'usu di cavi di cumunicazione di sensori 4-20 mA, chì ponu esse aduprati per l'aghjurnamentu di sistemi di cuntrollu più vechji. Grazie à l'usu di principii di sicurezza intrinseca, a tecnulugia hè attivamente aduprata in ambienti splusivi. A standardizazione stessu guarantisci l'intercambiabilità è a cumpatibilità di l'equipaggiu di diversi fabricatori, è grazia à i dispositi di gateway hè pussibule interfaccia una rete di apparecchi di campu è una rete di sistema di cuntrollu industriale di l'imprese custruite nantu à Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 hè più simile à i sistemi Profibus PA. E duie tecnulugii sò basati nantu à u listessu standard di strata fisica, cusì sti sistemi anu u stessu ritmu di trasferimentu di dati, l'usu di u codice Manchester, i paràmetri elettrici di a linea di cumunicazione, a quantità di putenza trasmessa pussibule, è a lunghezza massima di cable permissibile in una reta. segmentu (1900 m). Inoltre, in i dui sistemi, hè pussibule aduprà finu à 4 ripetitori, per via di quale a lunghezza di u segmentu pò digià ghjunghje à 9,5 km. Pussibili topologie di rete in u sistema di cuntrollu, è ancu i principii per assicurà a sicurezza intrinseca, sò cumuni.
Cumpunenti di u sistema
L'elementi principali di a rete Foundation Fieldbus H1 sò:
- controller di sistema di cuntrollu decentralizatu (DCS);
- alimentazione di bus di campu;
- blocchi o dispusitivi interfaccia modulari;
- terminatori d'autobus;
- dispusitivi di campu intelligenti.
U sistema pò ancu cuntene dispositivi di gateway (Linking Device), cunvertitori di protokolli, SPD è ripetitori.
Topulugia di a rete
Un cuncettu impurtante in a reta H1 hè u cuncettu di segmentu. Hè una linea di cumunicazione principale (Trunk), cù rami chì si estendenu da ellu (Spur), à quale i dispositi di campu sò cunnessi. U cable di troncu principia à a surgente di l'energia di l'autobus è generalmente finisce à l'ultimu dispositivu di interfaccia. Quattru tippi di topulugia sò permessi per a cumunicazione trà u controller è i dispositi di campu: puntu à puntu, loop, bus è arbre. Ogni segmentu pò esse custruitu sia cù una topologia separata sia cù e so cumminazzioni.
Cù una topologia puntu à puntu, ogni dispusitivu di campu hè cunnessu direttamente à u controller. In questu casu, ogni dispusitivu di campu cunnessu forma u so propiu segmentu di rete. Questa topulugia hè inconveniente perchè priva u sistema di quasi tutti i vantaghji inherenti à Foundation Fieldbus. Ci hè troppu interfacce nantu à u controller, è per alimentà i dispositi di campu da u bus di dati, ogni linea di cumunicazione deve avè u so propiu alimentazione di l'autobus di campu. A durata di e linee di cumunicazione hè troppu longa, è u scambiu d'infurmazioni trà i dispusitivi hè realizatu solu per mezu di u controller, chì ùn permette micca aduprà u principiu di alta toleranza di difetti di sistemi H1.
A topologia di loop implica una cunnessione seriale di i dispositi di campu l'un à l'altru. Quì, tutti i dispositi di campu sò cumminati in un segmentu, chì permette l'usu di menu risorse. Tuttavia, sta topulugia hà ancu disadvantages - prima di tuttu, hè necessariu di furnisce i metudi in quale u fallimentu di unu di i sensori intermedi ùn porta micca à una perdita di cumunicazione cù l'altri. Un altru svantaghju hè spiegatu da a mancanza di prutezzione contru un cortu circuitu in a linea di cumunicazione, in quale u scambiu di informazioni in u segmentu serà impussibile.
Dui altri topologies di rete anu a più grande affidabilità è praticità - bus è topologia di l'arburu, chì anu truvatu a più grande distribuzione in pratica quandu custruiscenu rete H1. L'idea daretu à queste topologies hè di utilizà i dispositi di l'interfaccia per cunnette i dispositi di campu à a spina. Dispositivi di accoppiamentu permettenu à ogni dispusitivu di campu per esse cunnessu à a so propria interfaccia.
Paràmetri di a rete
Quistioni impurtanti quandu custruisce una reta H1 sò i so paràmetri fisichi - quanti dispositi di campu ponu esse usatu in un segmentu, quale hè a durata massima di un segmentu, quantu longu ponu esse i rami. A risposta à queste dumande dipende da u tipu di alimentazione è u cunsumu d'energia di i dispositi di u campu, è per i zoni periculosi, i metudi per assicurà a sicurità intrinseca.
U numeru massimu di dispusitivi di campu in un segmentu (32) pò esse ottenutu solu s'ellu sò alimentati da fonti lucali in situ è se a sicurezza intrinseca ùn hè micca dispunibule. Quandu si alimenta sensori è attuatori da u bus di dati, u numeru massimu di dispusitivi pò esse solu 12 o menu secondu i metudi di sicurezza intrinseca.
Dipendenza di u numeru di dispusitivi di campu nantu à u metudu di alimentazione è i metudi per assicurà a sicurità intrinseca.
A durata di u segmentu di a rete hè determinata da u tipu di cable utilizatu. A lunghezza massima di 1900 m hè ottenuta quandu si usa un cable di tipu A (par ritortu cù scudo). Quandu s'utilice u tipu di cable D (micca torcia multicore cable cù un scudo cumuni) - solu 200 m. A durata di un segmentu hè cumpresu cum'è a summa di e lunghezze di u cable principale è tutti i rami da ellu.
Dipendenza di a lunghezza di u segmentu da u tipu di cable.
A durata di e rami dipende da u numeru di dispusitivi in u segmentu di a reta. Cusì, cù u numeru di dispusitivi finu à 12, questu hè un massimu di 120 m. Quandu si usanu 32 dispositi in un segmentu, a durata massima di i rami serà solu 1 m. Quandu cunnetta i dispositi di campu cù un ciclu, ogni dispusitivu supplementu. riduce a lunghezza di u ramu da 30 m.
Dipendenza di a lunghezza di rami da u cable principalu nantu à u numeru di apparecchi di campu in u segmentu.
Tutti sti fattori affettanu direttamente a struttura è a topologia di u sistema. Per accelerà u prucessu di cuncepimentu di a rete, sò usati pacchetti di software speciale, cum'è DesignMate da u Gruppu FieldComm o u Planificatore di a Rete Fieldbus da Phoenix Contact. I prugrammi permettenu di calculà i paràmetri fisichi è elettrici di a reta H1, tenendu in contu tutte e restrizioni pussibuli.
U scopu di i cumpunenti di u sistema
Cuntrollore
U compitu di u controller hè di implementà e funzioni di u Link Active Scheduler (LAS), u dispusitivu principale chì gestisce a rete mandendu messagi di serviziu. LAS inizia u scambiu d'infurmazioni trà i participanti di a rete cù messagi pianificati (scheduled) o unscheduled, diagnostica è sincroniza tutti i dispositi.
Inoltre, u controller hè rispunsevule per l'indirizzu automaticu di i dispositi di campu è agisce cum'è un dispositivu di gateway, furnisce una interfaccia Ethernet per a cumunicazione cù u livellu superiore di u sistema di cuntrollu basatu in Foundation Fieldbus HSE o un altru protocolu di cumunicazione. À u livellu più altu di u sistema, u controller furnisce funzioni di monitoraghju è cuntrollu di l'operatore, è ancu funzioni per a cunfigurazione remota di i dispositi di campu.
Ci ponu esse parechje Active Link Schedulers in a reta, chì guarantisci a redundanza di e funzioni incrustate in elli. In i sistemi muderni, e funzioni LAS ponu esse implementate in un dispositivu di gateway chì agisce cum'è un convertitore di protokollu per i sistemi di cuntrollu custruitu nantu à un standard altru da Foundation Fieldbus HSE.
Alimentazione di bus di campu
U sistema di supply supply in a reta H1 ghjoca un rolu chjave, perchè per u scambiu di dati per esse pussibule, a tensione in u cable di dati deve esse mantinuta in a gamma di 9 à 32 V DC. Sia chì i dispositi di campu sò alimentati da l'autobus di dati o da l'alimentazione di u campu, a rete necessita di l'alimentazione di l'autobus.
Per quessa, u so scopu principale hè di mantene i paràmetri elettrici necessarii in u bus, è ancu di alimentà i dispositi cunnessi à a reta. L'alimentazione di bus differisce da l'alimentazione convenzionale in quantu anu una impedenza di circuitu di output currispondente à frequenze di trasmissione di dati. Sè vo aduprate direttamente 1 o 12 V power supplys per alimentà a reta H24, u signale serà persu è u scambiu d'infurmazioni nantu à l'autobus ùn serà micca pussibule.
Alimentatori di bus di campo ridondanti FB-PS (assemblaggio per 4 segmenti).
Data l'impurtanza di furnisce una putenza di bus affidabile, l'alimentazione per ogni segmentu di a rete pò esse redundante. L'alimentazione di Phoenix Contact FB-PS supporta a tecnulugia Auto Current Balancing. ASV furnisce una carica simmetrica trà e fonti di energia, chì hà un effettu benefizièvule nantu à e so cundizioni di temperatura è ultimamente porta à un aumentu di a so vita di serviziu.
U sistema di alimentazione H1 hè tipicamente situatu in l'armadiu di u controller.
Dispositivi di interfaccia
I dispusitivi di accoppiamentu sò pensati per cunnette un gruppu di apparecchi di campu à u bus di dati principali. Basatu nantu à e funzioni chì facenu, sò divisi in dui tipi: moduli di prutezzione di segmentu (Segment Protectors) è barriere di campu (Field Barriers).
Indipendentemente da u tipu, i dispositi di l'interfaccia pruteghjanu a reta da i cortu circuiti è i overcurrents in e linee in uscita. Quandu si faci un cortu circuitu, u dispusitivu di l'interfaccia blocca u portu di l'interfaccia, impediscendu chì u cortu circuitu si sparghje in tuttu u sistema è guarantisci cusì u scambiu d'infurmazioni trà altri dispositi di rete. Dopu avè eliminatu u cortu circuitu nantu à a linea, u portu di cumunicazione previamente bluccatu cumencia à travaglià di novu.
I barrieri di campu furniscenu ancu un isolamentu galvanicu trà i circuiti micca intrinsecamente sicuri di l'autobus principale è i circuiti intrinsecamente sicuri di i dispositi di campu cunnessi (rami).
Fisicamente, i dispositi di l'interfaccia sò ancu di dui tipi - bloccu è modulari. Dispositivi di interfaccia di bloccu di u tipu FB-12SP cù funziunalità di prutezzione di segmentu permettenu di utilizà circuiti IC intrinsecamente sicuri per cunnette i dispositi di campu in a Zona 2, è e barriere di campu ISO FB-12SP permettenu di cunnette i dispositi in e Zone 1 è 0 usendu IA intrinsecamente sicura. circuiti.
Accoppiatori FB-12SP è FB-6SP da Phoenix Contact.
Unu di i vantaghji di i dispositi modulari hè a capacità di scala u sistema selezziunendu u numeru di canali necessarii per cunnette i dispositi di campu. Inoltre, i dispositi modulari permettenu a creazione di strutture flessibili. In un armariu di distribuzione hè pussibule cumminà moduli di prutezzione di segmentu è barriere di campu, vale à dì, cunnetta i dispositi di campu situati in diverse zone di risicu di esplosione da un armariu. In totale, sin'à 12 moduli FB-2SP dual-channel o moduli di barriera FB-ISO unicu-canale ponu esse installati nantu à un bus, cunnessendu cusì da un armariu à 24 apparecchi di campu in a Zona 2 o finu à 12 sensori in a Zona 1 o 0.
I dispusitivi di l'interfaccia ponu esse operati in una larga gamma di temperatura è sò stallati in recinti a prova di esplosione Ex e, Ex d cun un gradu di prutezzione di polvera è umidità di almenu IP54, cumpresu u più vicinu pussibule à l'ughjettu di cuntrollu.
Dispositivi di prutezzione di surge
E rete di livellu di campu H1 ponu formate segmenti assai longu, è e linee di cumunicazione ponu curriri in i posti induve i surge surge sò pussibuli. I sovratensioni di impulsi sò intesi cum'è differenzi di putenziali indotti causati da scarichi di fulmini o circuiti curti in e linee di cable vicine. A tensione indotta, a magnitudine di quale hè nantu à l'ordine di parechji kilovolts, provoca u flussu di currenti di scaricamentu di kiloampere. Tutti issi fenomeni accadenu in microsecondi, ma ponu purtà à fallimentu di i cumpunenti di a rete H1. Per prutege l'equipaggiu da tali fenomeni, hè necessariu di utilizà un SPD. L'usu di SPD invece di terminali di alimentazione cunvinziunali guarantisci un funziunamentu affidabile è sicuru di u sistema in cundizioni avversi.
U principiu di u so funziunamentu hè basatu annantu à l'usu di un circuitu quasi-cortu in a gamma di nanosecondi per u flussu di currenti di scaricamentu in un circuitu chì usa elementi chì ponu sustene u flussu di currenti di tale magnitude.
Ci hè un gran numaru di tippi di SPD: unicu-canale, doppiu-canale, cù tappi rimpiazzabili, cù diversi tipi di diagnostichi - in forma di blinker, contact dry. Strumenti diagnostichi di punta di Phoenix Contact vi permettenu di monitorà i protettori di surge cù servizii digitali basati in Ethernet. A pianta di a cumpagnia in Russia pruduce apparecchi certificati per l'usu in ambienti splusivi, cumpresi i sistemi Foundation Fieldbus.
Terminator d'autobus
U terminatore eseguisce duie funzioni in a reta - shunt u currenti di u bus di campu, chì nasce in u risultatu di a modulazione di u signale è impedisce chì u signale sia riflessu da l'estremità di a linea principale, impediscendu cusì l'apparizione di rumore è jitter (fase jitter). di u signale digitale). Cusì, u terminatore permette di evità l'apparizione di dati imprecisi nantu à a reta o a perdita di dati in tuttu.
Ogni segmentu di a reta H1 deve avè dui terminatori à ogni estremità di u segmentu. L'alimentazione di bus di Phoenix Contact è l'accoppiatori sò dotati di terminatori commutabili. A prisenza di terminatori extra in a reta, per esempiu, per un errore, riducerà significativamente u nivellu di signale in a linea di l'interfaccia.
Scambiu d'infurmazioni trà i segmenti
U scambiu di l'infurmazioni trà i dispositi di campu ùn hè micca limitatu à un segmentu, ma hè pussibule trà e diverse sezioni di a reta, chì ponu esse cunnessi via un controller o una rete d'impresa basata in Ethernet. In questu casu, u protocolu Foundation Fieldbus HSE o un più populari, per esempiu, Modbus TCP, pò esse usatu.
Quandu custruisce una reta HSE, i switches di qualità industriale sò usati. U protocolu permette a redundanza di l'anellu. In questu casu, vale a pena ricurdà chì in una topologia di l'anellu, i switches devenu aduprà unu di i protokolli di redundancy (RSTP, MRP o Extended Ring Redundancy) secondu a dimensione è u tempu di cunvergenza di a rete necessaria quandu i canali di cumunicazione sò rotti.
L'integrazione di sistemi basati in HSE cù sistemi di terzu hè pussibule cù a tecnulugia OPC.
Metudi à prova di esplosione
Per creà un sistema a prova di esplosione, ùn hè micca abbastanza per esse guidatu solu da e caratteristiche di prova di esplosione di l'equipaggiu è l'scelta di u so locu currettu in u situ. Dentru u sistema, ogni dispusitivu ùn funziona micca da sè stessu, ma opera in una sola reta. In e rete Foundation Fieldbus H1, u scambiu di informazioni trà i dispositi situati in diverse zone periculose implica micca solu u trasferimentu di dati, ma ancu u trasferimentu di energia elettrica. A quantità di energia chì era accettabile in una zona pò esse micca accettata in un altru. Dunque, per valutà a sicurità di l'esplosione di e rete di campu è selezziunate u metudu ottimali per assicurà, hè utilizatu un approcciu sistematicu. Trà questi metudi, i più utilizati sò i metudi di assicurà a sicurezza intrinseca.
Quandu si tratta di bus di campu, ci sò attualmente parechje manere di ottene a sicurezza intrinseca: u metudu tradiziunale di barriera IS, u cuncettu FISCO è a Tecnulugia di Trunk High Power (HPT).
U primu hè basatu annantu à l'usu di e barriere IS è implementa un cuncettu pruvucatu chì hè stata utilizata in sistemi di cuntrollu basatu nantu à 4-20 mA signali analogichi. Stu metudu hè simplice è affidabile, ma limita l'alimentazione à i dispositi di campu in Zone periculose 0 è 1 à 80 mA. In questu casu, secondu una previsione ottimista, hè pussibule di cunnette micca più di 4 apparecchi di campu per segmentu cù un cunsumu di 20 mA, ma in pratica micca più di 2. In questu casu, u sistema perde tutti i vantaghji chì esistenu. in Foundation Fieldbus è veramente porta à una topulugia puntu à puntu, quandu à cunnette un gran numaru di dispusitivi campu, u sistema deve esse divisu in parechji segmenti. Stu metudu limita ancu significativamente a durata di u cable principale è e rami.
U cuncettu FISCO hè statu sviluppatu da l'"Istitutu Metrologicu Naziunale di Germania" è hè statu dopu inclusu in i normi IEC, è dopu in GOST. Per assicurà a sicurezza intrinseca di a reta di u campu, u cuncettu implica l'usu di cumpunenti chì scontranu certi restrizioni. Restrizioni simili sò formulate per l'alimentazione in quantu à a putenza di output, per i dispositi di campu in quantu à u cunsumu di energia è l'induttanza, per i cavi in termini di resistenza, capacità è induttanza. Tali restrizioni sò dovute à u fattu chì l'elementi capacitivi è induttivi ponu accumulà energia, chì in modu d'urgenza, in casu di danni à qualsiasi elementu di u sistema, ponu esse liberati è causanu una scarica di scintilla. Inoltre, u cuncettu pruibisce l'usu di redundancy in u sistema di putenza di l'autobus.
FISCO furnisce una corrente più grande per l'alimentazione di i dispositi in zone periculose cumparatu cù u metudu di barriera di campu. 115 mA hè dispunibule quì, chì pò esse usatu per alimentà i dispositi 4-5 in u segmentu. In ogni casu, ci sò ancu restrizioni nantu à a durata di u cable principale è e rami.
A tecnulugia High Power Trunk hè attualmente a tecnulugia di sicurezza intrinseca più cumuna in e rete Foundation Fieldbus perchè elimina i svantaghji chì esistenu in e rete protette da barriera o FISCO. Cù l'usu di HPT, hè pussibule di ottene u limitu di i dispositi di campu in un segmentu di rete.
A tecnulugia ùn limita micca i paràmetri elettrici di a rete induve questu ùn hè micca necessariu, per esempiu, nantu à una linea di cumunicazione backbone, induve ùn ci hè bisognu di mantenimentu è di sustituzione di l'equipaggiu. Per cunnetta i dispositi di campu situati in una zona splussiva, i dispositi di l'interfaccia cù a funziunalità di e barriere di campu sò usati, chì limitanu i paràmetri elettrici di a rete per l'alimentazione di i sensori è sò situati direttamente vicinu à l'ughjettu di cuntrollu. In questu casu, u tipu di prutezzione di splusioni Ex e (prutezzione aumentata) hè utilizatu in tuttu u segmentu.
Source: www.habr.com