Foundation Fieldbus je digitální komunikační systém používaný v automatizaci vedle systémů jako Profibus, Modbus nebo HART. Tato technologie se objevila o něco později než její konkurenti: první verze standardu je datována rokem 1996 a v současné době zahrnuje dva protokoly pro výměnu informací mezi účastníky sítě – H1 a HSE (High Speed Ethernet).
Protokol H1 se používá pro výměnu informací na úrovni senzorů a kontrolérů, přičemž jeho síť vychází ze standardu fyzické vrstvy IEC 61158-2, což umožňuje rychlost přenosu dat 31,25 kbit/s. Napájení polevých zařízení je možné zajistit přes sběrnici přenosu dat. Síť HSE je založena na vysokorychlostních Ethernetových sítích (100/1000 Mbit/s) a používá se pro budování systémů řízení procesů (PCS) na úrovni kontrolérů a podnikových řídících systémů.
Technologie je aplikovatelná při budování PCS jakýchkoliv průmyslových zařízení, ale nejvíce se rozšířila v podnicích ropného a plynárenského průmyslu a chemického průmyslu.
Možnosti technologie
Foundation Fieldbus byla vyvinuta jako alternativa k tradičnímu modelu automatizovaných řídících systémů založených na analogových senzorech a získala řadu výhod jak oproti tradičnímu modelu, tak oproti digitálním systémům založeným na Profibus nebo HART.
Jednou z hlavních výhod je vysoká úroveň spolehlivosti a odolnosti systémů. H1, což je dosaženo díky dvěma faktorům:
- použití inteligentních zařízení na polové úrovni (senzorů a akčních mechanismů);
- možnost organizovat výměnu informací přímo mezi zařízeními polové úrovně bez zapojení kontroléru.
Inteligentnost polových zařízení spočívá v možnosti implementovat řídicí algoritmy a zpracování informací, které se tradičně realizují v kontroléru. V praxi to umožňuje systému pokračovat v činnosti i při selhání kontroléru. Pro to, aby to bylo možné, je nutné, aby byla polová zařízení správně nakonfigurována a byla zajištěna spolehlivá systémová napájecí soustava polové sběrnice.
Dodatečné výhody, které přináší digitalizace systému řízení a používání inteligentních senzorů, spočívají v možnosti získat více dat než pouze měření z každého pole zařízení, což v konečném důsledku rozšiřuje rozsah sledování procesu, který je v tradičních analogových systémech omezen systémem vstupu a výstupu signálů.
Použití sběrnicové topologie v síti H1 umožňuje zkrátit délku kabelových vedení, objem montážních prací, vyhnout se používání dodatečného vybavení v řídicích systémech: modulů vstupu a výstupu, napájecích zdrojů a v prostorách s výbušným nebezpečím — bariér iskrové ochrany.
H1 umožňuje použití kabelů pro vedení signálů senzorů 4-20 mA, což může být využito při modernizaci starých řídicích systémů. Vzhledem k využití principů iskrové bezpečnosti je technologie aktivně aplikována ve výbušných prostředích. Samotná standardizace zaručuje vzájemnou zaměnitelnost a kompatibilitu zařízení různých výrobců, a díky bránovým zařízením je možné propojovat síť polních zařízení a sítě automatizace podnikových systémů postavené na Ethernetu.
Největší podobnost má Foundation Fieldbus H1 se systémy Profibus PA. Obě technologie vycházejí ze stejného standardu fyzické vrstvy, a proto mají tyto systémy stejné rychlosti přenosu dat, využívají manchesterské kódování, elektrické parametry komunikační linky, velikost možné přenášené energie a maximální povolenou délku kabelu v segmentu sítě (1900 m). Také v obou systémech je možné použít až 4 repeaterů, díky čemuž může délka segmentu dosáhnout již 9,5 km. Společné jsou možné síťové topologie v systému řízení a také principy zabezpečení iskrové bezpečnosti.
Komponenty systému
Hlavními prvky sítě Foundation Fieldbus H1 jsou:
- kontrolér decentralizovaného řídicího systému (DCS);
- napájecí zdroje polní sběrnice;
- bloková nebo modulární spojovací zařízení;
- terminátory sběrnice;
- inteligentní polní zařízení.
V systému mohou být také bránová zařízení (Linking Device), převodníky protokolů, UZIP a repeatery.
Topologie sítě
Důležitým konceptem v síti H1 je pojem segmentu. Ten představuje hlavní komunikační linku (Trunk) s odbočkami (Spur), na které se připojují pole zařízení. Hlavní kabel začíná na zdroji napájení sběrnice a obvykle končí na posledním zařízení spojení. Pro komunikaci kontroléru s polem zařízení jsou povoleny čtyři typy topologie: bod-bod, smyčka, sběrnice a strom. Každý segment může být postaven jak s využitím jednotlivé topologie, tak s využitím jejich kombinací.
Při použití topologie bod-bod je každé pole zařízení připojeno přímo k kontroléru. V tomto případě každé připojené pole zařízení tvoří vlastní segment sítě. Tato topologie je nevhodná, protože systematicky zbavuje systém téměř všech výhod, které jsou zakotveny v Foundation Fieldbus. Na kontroléru je zapojeno příliš mnoho rozhraní a pro napájení pole zařízení ze sběrnice dat musí být na každé lince umístěn vlastní zdroj napájení pole sběrnice. Délka komunikačních linek je příliš velká a informační výměna mezi zařízeními se provádí pouze skrze kontrolér, což neumožňuje využít princip vysoké odolnosti systémů H1.
Topologie smyčky předpokládá sériové spojení pole zařízení mezi sebou. Zde jsou všechna pole zařízení sloučena do jednoho segmentu, což umožňuje využít menší zdroje. Tato topologie však má také nevýhody – především je nutné předvídat metody, kterými by selhání jednoho z mezilehlých snímačů nevedlo k přerušení spojení s ostatními. Další nevýhodou je nedostatek ochrany proti zkratu na komunikační lince, při kterém by byla informační výměna v segmentu nemožná.
Největší spolehlivosti a praktičnosti dosahují dvě jiné topologie sítě – sběrnicová a stromová topologie, které se také nejvíce rozšířily v praxi při výstavbě sítí H1. Smyslem těchto topologií je použití spojovacích zařízení pro připojení polních zařízení k hlavní komunikační lince. Spojovací zařízení umožňují připojit každé polní zařízení k vlastnímu rozhraní.
Parametry sítě
Důležitými otázkami při výstavbě sítě H1 jsou její fyzické parametry – kolik polních zařízení lze použít v segmentu, jaká může být maximální délka segmentu, jaká může být délka odboček. Odpověď na tyto otázky závisí na typu napájení a spotřebě energie polních zařízení a pro výbušné objekty – na způsobech zajištění bezpečnosti proti jiskření.
Maximální počet polních zařízení v segmentu (32) může být dosažen pouze za předpokladu, že jsou napájena z místních zdrojů a při absenci prostředků zajištění bezpečnosti proti jiskření. Při napájení senzorů a akčních mechanismů z datové sběrnice může být maximální počet zařízení pouze 12 nebo méně v závislosti na metodách zajištění bezpečnosti proti jiskření.
Závislost počtu polních zařízení na způsobu napájení a metodách zajištění bezpečnosti proti jiskření.
Délka segmentu sítě je určena typem použitých kabelů. Maximální délka 1900 m se dosahuje při použití kabelu typu A (twisted pair s ekranem). Při použití kabelu typu D (nepropletený vícežilový kabel se společným ekranem) pouze 200 m. Pod délkou segmentu se rozumí součet délek hlavního kabelu a všech odboček z něj.
Závislost délky segmentu na typu kabelu.
Délka odboček závisí na počtu zařízení v segmentu sítě. Tak při počtu zařízení do 12 – to je maximálních 120 m. Při použití 32 zařízení v segmentu bude maximální délka odboček pouze 1 m. Při připojení polních zařízení kabelem každé další zařízení zkracuje délku odbočky o 30 m.
Závislost délky odboček na hlavním kabelu podle počtu polních zařízení v segmentu.
Všechny tyto faktory přímo ovlivňují strukturu a topologii systému. Aby se urychlil proces návrhu sítě, používají se speciální softwarové balíky, jako je DesignMate od organizace FieldComm Group nebo Fieldbus Network Planner od společnosti Phoenix Contact. Tyto programy umožňují výpočet fyzikálních a elektrických parametrů sítě H1, přičemž zohledňují všechna možná omezení.
Účel komponent systému
Ovladač
Úkolem kontroléru je realizace funkcí Aktivního Plánovače Vazeb (LAS) – hlavního zařízení, které řídí síť pomocí zasílání služebních zpráv. LAS iniciuje informační výměnu mezi účastníky sítě plánovanými (na základě rozvrhu) nebo neplánovanými zprávami, provádí diagnostiku a synchronizaci všech zařízení.
Kromě toho kontrolér odpovídá za automatickou adresaci polních zařízení, funguje jako brána, poskytující rozhraní Ethernet pro komunikaci s vyšší úrovní řídícího systému založeného na Foundation Fieldbus HSE nebo jiném komunikačním protokolu. Pro vyšší úroveň systému kontrolér poskytuje funkce monitorování a řízení ze strany operátora, stejně jako funkce vzdáleného konfigurování polních zařízení.
V síti může být několik Aktivních Plánovačů Vazeb, které zaručují zálohování v nich zabudovaných funkcí. V moderních systémech mohou být funkce LAS realizovány v bránovém zařízení, které plní roli převodníku protokolů pro řídicí systémy postavené na standardu odlišném od Foundation Fieldbus HSE.
Napájecí zdroje polní sběrnice
Napájecí systém v síti H1 hraje klíčovou roli, protože pro samotnou možnost informační výměny v kabelu přenosu dat musí být udržováno napětí v rozmezí od 9 do 32 V stejnosměrného proudu. Ať už se polní zařízení napájejí ze sběrnice přenosu dat nebo z napájecích zdrojů na místě, síť vyžaduje napájecí zdroje sběrnice.
Hlavním účelem je tedy udržování požadovaných elektrických parametrů na sběrnici a napájení zařízení připojených k síti. Oproti běžným napájecím zdrojům se napájecí zdroje sběrnice liší tím, že mají odpovídající impedanci výstupního obvodu na frekvencích přenosu dat. Pokud by byly pro napájení sítě H1 přímo použity napájecí zdroje 12 nebo 24 V, signál by byl ztracen a výměna informací na sběrnici by byla nemožná.
Rezervované napájecí zdroje polní sběrnice FB-PS (sestava pro 4 segmenty).
Vzhledem k důležitosti zajištění spolehlivého napájení sběrnice mohou být napájecí zdroje každého segmentu sítě rezervovány. Napájecí zdroje FB-PS od společnosti Phoenix Contact podporují technologii automatického vyrovnávání zatížení (Auto Current Balancing). ACB zajišťuje symetrické zatížení mezi napájecími zdroji, což má pozitivní vliv na jejich teplotní režim a v konečném důsledku vede k prodloužení jejich životnosti.
Napájecí systém sítě H1 je zpravidla umístěn v ovládacím skříni.
Spojovací zařízení
Spojovací zařízení slouží k připojení skupiny polních zařízení k datové sběrnici. Podle vykonávaných funkcí se dělí do dvou typů: moduly ochrany segmentu (Segment Protectors) a polní bariéry (Field Barriers).
Bez ohledu na typ, spojovací zařízení chrání síť před zkraty a přetížením v odchozích liniích. Při vzniku zkratu spojovací zařízení blokuje rozhraní portu, čímž zabraňuje šíření zkratu v systému a zajišťuje tak výměnu informací mezi ostatními zařízeními sítě. Po odstranění zkratu v lince dříve zablokovaný komunikační port opět začíná fungovat.
Polní bariéry navíc zajišťují galvanické oddělení mezi neiskrobezpečnými okruhy sběrnice a iskrobezpečnými okruhy připojených polních zařízení (odboček).
Fyzická zařízení pro spojení mohou být také dvou typů – bloková a modulární. Bloková zařízení spojení typu FB-12SP s funkcionalitou ochrany segmentu umožňují používat pro připojení polí zařízení v zóně 2 výbušné bezpečné obvody IC, zatímco pole bariéry FB-12SP ISO umožňují připojit zařízení v zóně 1 a 0 výbušně bezpečnými obvody IA.
Zařízení spojení FB-12SP a FB-6SP od Phoenix Contact.
Jednou z výhod modulárních zařízení je možnost škálovat systém, při výběru potřebného počtu kanálů pro připojení pole zařízení. Kromě toho modulární zařízení umožňují vytvářet flexibilní struktury. V jedné distribuční skříni je možné kombinovat moduly ochrany segmentu a pole bariéry, což znamená, že z jedné skříně lze připojit pole zařízení umístěná v různých výbušných zónách. Na jednu sběrnici je možné nainstalovat až 12 dvoukanálových modulů FB-2SP nebo jednochannelských modulů bariér FB-ISO, čímž lze z jedné skříně připojit až 24 pole zařízení v zóně 2 nebo až 12 senzorů v zóně 1 nebo 0.
Zařízení spojení mohou pracovat v širokém teplotním rozmezí a jsou instalována v výbušně chráněných obalech Ex e, Ex d se stupněm ochrany proti prachu a vlhkosti alespoň IP54, a to i maximálně blízko k objektu řízení.
Zařízení proti impulzním přepětím
Sítě pole N1 mohou tvořit velmi dlouhé segmenty a komunikační linky mohou procházet místy, kde může vzniknout impulzní přepětí. Impulzní přepětí je definováno jako indukovaný rozdíl potenciálů způsobený bouřkovými výboji nebo zkraty v blízkých kabelových liniích. Indukované napětí o hodnotě několika kilovoltů způsobuje průtok výbojových proudů o velikosti v kiloampérech. Všechny tyto jevy probíhají během mikrosekund, ale mohou vést k selhání komponentů sítě N1. Pro ochranu zařízení před takovými jevy je nutné používat UZIP. Použití UZIP místo běžných propojovacích svorek zaručuje spolehlivý a bezpečný provoz systému za nepříznivých podmínek.
Princip činnosti je založen na použití kvazikrátkého zkratu v nanosekundovém rozsahu pro procházení výbojových proudů v obvodu, ve kterém jsou použity prvky schopné snášet průtok proudů takového rozsahu.
Existuje mnoho variant UZIPS: jednokanálové, dvoukanálové, se snadno vyměnitelnými konektory, s různými typy diagnostiky – ve formě blinkeru, suchého kontaktu. Moderní diagnostické prostředky od Phoenix Contact umožňují monitorování UZIPS s využitím digitálních služeb na základě Ethernetu. V závodě společnosti v Rusku jsou vyráběna zařízení certifikovaná pro použití v nebezpečných prostředích, včetně systémů Foundation Fieldbus.
Terminátor sběrnice
Terminátor plní v síti dvě funkce – zkratuje proud pole sběrnice, který vzniká modulačním signálem, a brání odrazům signálu na koncích hlavní linky, čímž zamezuje vzniku šumu a jitteru (fázového chvění digitálního signálu). Tímto způsobem terminátor zabraňuje vzniku nepřesných dat v síti nebo úplné ztrátě dat.
V každém segmentu sítě H1 musí být přítomny dva terminátory, na každém konci segmentu. Napájecí zdroje sběrnice a zařízení pro spojení Phoenix Contact jsou dodávány s odpojitelnými terminátory. Přítomnost přebytečných terminátorů v síti, např. v důsledku chyby, by výrazně snižovala úroveň signálu v rozhraní.
Výměna informací mezi segmenty
Výměna informací mezi polem zařízení není omezena pouze na jeden segment, ale je možná mezi různými částmi sítě, které mohou být spojeny prostřednictvím řídicího systému nebo podnikové sítě na základě Ethernetu. Může být použit protokol Foundation Fieldbus HSE nebo populárnější, například Modbus TCP.
Při budování sítě HSE se používají průmyslové přepínače. Protokol povoluje kruhové záložní systémy. V tomto případě je důležité si pamatovat, že v kruhové topologii musí přepínače používat jeden z protokolů záložního systému (RSTP, MRP nebo Extended Ring Redundancy) v závislosti na velikosti a požadovaném čase konvergence sítě při přerušení spojovacího kanálu.
Integrace systémů na bázi HSE se třetími stranami je možná pomocí technologie OPC.
Metody zajištění výbuchu bezpečnosti
Pro vytvoření výbuchu bezpečné soustavy nestačí řídit se pouze charakteristikami výbuchu bezpečnosti zařízení a výběrem jejich správného umístění na objektu. V rámci systému každé z zařízení nefunguje samo o sobě, ale pracuje v rámci jedné sítě. V sítích Foundation Fieldbus H1 je informační výměna mezi zařízeními, která se nacházejí v různých zónách nebezpečí výbuchu, spojena nejen s přenosem dat, ale také s přenosem elektrické energie. Velikost energie, která byla povolena v jedné zóně, může být nepřijatelná v jiné. Proto se pro hodnocení výbuchu bezpečnosti polních sítí a výběr optimální metody jejího zajištění využívá systémový přístup. Mezi takovými metodami získaly největší popularitu metody zajištění jiskrové bezpečnosti.
V současnosti existuje několik způsobů zajištění jiskrové bezpečnosti pro polní sběrnice: tradiční metoda jiskrové ochrany, koncept FISCO a technologie High Power Trunk (HPT).
První z nich je založen na použití jiskrových ochranných bariér a realizuje ověřenou koncepci, která byla použita v řídících systémech na bázi analogových signálů 4-20 mA. Tato metoda je jednoduchá a spolehlivá, ale omezuje napájení polních zařízení ve výbušných zónách 0 a 1 na 80 mA. V tomto případě je optimisticky možné připojit maximálně 4 polní zařízení na segment s odběrem 20 mA, ale ve skutečnosti ne více než 2. V tomto případě systém ztrácí všechny výhody, které existují v Foundation Fieldbus, a v podstatě vede k topologii bod-bod, kdy pro připojení velkého počtu polních zařízení je nutné systém rozdělit na mnoho segmentů. Tato metoda také značně omezuje délku hlavního kabelu a odboček.
Koncept FISCO byl vyvinut "Národním metrologickým institutem Německa" a později se stal součástí standardů IEC a následně i GOST. Pro zajištění iskrobězpečnosti polevých sítí koncept předpokládá použití komponentů, které splňují určité limity. Tyto limity jsou formulovány pro napájecí zdroje podle výstupního výkonu, pro polevé zařízení podle spotřeby výkonu a indukčnosti, pro kabely podle odporu, kapacity a indukčnosti. Tyto limity jsou spojeny s tím, že kapacitní a indukční prvky mohou akumulovat energii, která v havarijním režimu, při poškození jakéhokoli prvku systému, může být uvolněna a způsobit iskrový výboj. Kromě toho koncept zakazuje používání zálohování v systému napájení sběrnice.
FISCO poskytuje vysokou hodnotu proudu pro napájení zařízení v nebezpečné oblasti ve srovnání s metodou polových bariér. K dispozici je 115 mA, což lze použít pro napájení 4-5 zařízení v segmentu. Existují však také omezení týkající se délky hlavního kabelu a odboček.
Technologie High Power Trunk je v současnosti nejrozšířenější technologií zajištění iskrobězpečnosti v sítích Foundation Fieldbus, protože nemá nedostatky, které existují v sítích chráněných bariérami nebo postavených podle FISCO. S použitím HPT se stalo možné dosáhnout maximálního počtu polevých zařízení v segmentu sítě.
Technologie neomezuje elektrické parametry sítě tam, kde to není nutné, například na hlavní lince komunikace, kde není potřeba údržby a výměny vybavení. Pro připojení polevých zařízení umístěných v nebezpečné oblasti se používají zařízení párování s funkcionalitou polových bariér, která omezují elektrické parametry sítě pro napájení senzorů a nacházejí se přímo vedle kontrolního objektu. V tomto případě se po celou dobu segmentu používá typ výbuchu ochraně Ex e (zvýšená ochrana).
Zdroj: habr.com
