Foundation Fieldbus je digitální komunikační systém používaný v automatizaci spolu s Profibus, Modbus nebo HART. Tato technologie se objevila o něco později než její konkurenti: první vydání standardu pochází z roku 1996 a v současné době obsahuje 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 a jeho síť je založena na standardu fyzické vrstvy IEC 61158-2, který umožňuje přenos dat rychlostí 31,25 kbit/s. V tomto případě je možné napájet polní zařízení z datové sběrnice. Síť HSE je založena na vysokorychlostních sítích Ethernet (100/1000 Mbit/s) a slouží k vybudování sítě automatizovaného systému řízení procesů na úrovni kontrolérů a systémů řízení podniku.
Technologie je použitelná při konstrukci automatizovaných systémů řízení procesů pro všechna průmyslová zařízení, nejrozšířenější je však v podnicích v ropném a plynárenském průmyslu a chemickém průmyslu.
Technologické schopnosti
Foundation Fieldbus byl vyvinut jako alternativa k tradičnímu modelu automatizovaných řídicích systémů založených na analogových senzorech a má řadu výhod oproti tradičnímu modelu i digitálním systémům založeným na Profibus nebo HART.
Jednou z hlavních výhod je vysoký stupeň spolehlivosti a odolnosti systémů proti poruchám H1, kterého je dosaženo díky dvěma faktorům:
- použití inteligentních zařízení (senzorů a aktuátorů) na úrovni pole;
- schopnost organizovat výměnu informací přímo mezi zařízeními na provozní úrovni bez účasti kontrolora.
Inteligence polních zařízení spočívá ve schopnosti implementovat algoritmy řízení a zpracování informací, které jsou tradičně implementovány v ovladači. V praxi to umožňuje systému pokračovat v provozu, i když regulátor selže. To vyžaduje, aby byla provozní zařízení vhodně nakonfigurována a aby bylo zajištěno spolehlivé napájení fieldbus.
Mezi další výhody plynoucí z digitalizace řídicího systému a použití inteligentních senzorů patří možnost získat více dat nad rámec měření z každého provozního zařízení, což v konečném důsledku rozšiřuje rozsah monitorování procesu, který je v tradičních analogových systémech omezen na systém vstupu/výstupu signálu. ..
Použití sběrnicové topologie v síti H1 umožňuje snížit délku kabelových vedení, množství instalačních prací a eliminovat použití přídavných zařízení v řídicích systémech: vstupní/výstupní moduly, napájecí zdroje a v nebezpečných oblastech - ochranné bariéry proti jiskrám.
H1 umožňuje použití komunikačních kabelů snímačů 4-20 mA, které lze použít při modernizaci starších řídicích systémů. Díky využití principů jiskrové bezpečnosti je technologie aktivně využívána ve výbušném prostředí. Samotná standardizace zaručuje zaměnitelnost a kompatibilitu zařízení od různých výrobců a díky gateway zařízením je možné propojit síť polních zařízení a síť průmyslových řídicích systémů podniků postavených na Ethernetu.
Foundation Fieldbus H1 je nejpodobnější systémům Profibus PA. Obě technologie jsou založeny na stejném standardu fyzické vrstvy, takže tyto systémy mají stejnou rychlost přenosu dat, použití kódování Manchester, elektrické parametry komunikační linky, množství možného přenášeného výkonu a maximální povolenou délku kabelu v síti. segmentu (1900 m). V obou systémech je také možné použít až 4 opakovače, díky čemuž může délka segmentu již dosáhnout 9,5 km. Možné topologie sítě v řídicím systému i zásady pro zajištění jiskrové bezpečnosti jsou běžné.
Komponenty systému
Hlavní prvky sítě Foundation Fieldbus H1 jsou:
- regulátor decentralizovaného řídicího systému (DCS);
- napájecí zdroje fieldbus;
- bloková nebo modulární rozhraní;
- zakončovače sběrnic;
- inteligentní polní zařízení.
Systém může také obsahovat zařízení brány (Linking Device), převodníky protokolů, SPD a opakovače.
Topologie sítě
Důležitým pojmem v síti H1 je pojem segment. Jedná se o hlavní komunikační linku (Trunk), z níž vybíhají odbočky (Spur), na kterou jsou připojena polní zařízení. Hlavní kabel začíná u zdroje napájení sběrnice a obvykle končí u posledního zařízení rozhraní. Pro komunikaci mezi kontrolérem a polními zařízeními jsou povoleny čtyři typy topologie: point-to-point, smyčka, sběrnice a strom. Každý segment lze postavit buď pomocí samostatné topologie, nebo pomocí jejich kombinací.
S topologií point-to-point je každé polní zařízení připojeno přímo k řídicí jednotce. V tomto případě každé připojené polní zařízení tvoří svůj vlastní síťový segment. Tato topologie je nepohodlná, protože připravuje systém o téměř všechny výhody, které jsou základnímu Fieldbusu vlastní. Na řídicí jednotce je příliš mnoho rozhraní a pro napájení polních zařízení z datové sběrnice musí mít každá komunikační linka své vlastní napájení polní sběrnice. Délka komunikačních linek se ukazuje jako příliš dlouhá a výměna informací mezi zařízeními probíhá pouze přes řadič, což neumožňuje využít princip vysoké odolnosti proti poruchám systémů H1.
Topologie smyčky znamená vzájemné sériové propojení polních zařízení. Zde jsou všechna terénní zařízení sloučena do jednoho segmentu, což umožňuje využití menšího počtu zdrojů. Tato topologie má však i nevýhody – v první řadě je nutné zajistit metody, při kterých výpadek jednoho z mezilehlých senzorů nepovede ke ztrátě komunikace s ostatními. Další nevýhodou je nedostatečná ochrana proti zkratu v komunikační lince, při které nebude výměna informací v segmentu možná.
Největší spolehlivost a praktičnost mají dvě další síťové topologie - sběrnicová a stromová topologie, které našly v praxi největší rozšíření při budování sítí H1. Myšlenkou těchto topologií je použití zařízení rozhraní k připojení polních zařízení k páteřní síti. Spojovací zařízení umožňují připojení každého polního zařízení k jeho vlastnímu rozhraní.
Nastavení sítě
Důležitými otázkami při budování sítě H1 jsou její fyzické parametry – kolik polních zařízení lze v segmentu použít, jaká je maximální délka segmentu, jak dlouhé mohou být větve. Odpověď na tyto otázky závisí na typu napájení a spotřebě energie polních zařízení a pro nebezpečné prostory na metodách zajištění jiskrové bezpečnosti.
Maximálního počtu provozních zařízení v segmentu (32) lze dosáhnout pouze tehdy, jsou-li napájeny z místních zdrojů na místě a není-li k dispozici jiskrová bezpečnost. Při napájení senzorů a aktuátorů z datové sběrnice může být maximální počet zařízení pouze 12 nebo méně v závislosti na metodách jiskrové bezpečnosti.
Závislost počtu polních zařízení na způsobu napájení a způsobech zajištění jiskrové bezpečnosti.
Délka segmentu sítě je dána typem použitého kabelu. Maximální délky 1900 m je dosaženo při použití kabelu typu A (kroucená dvoulinka se stíněním). Při použití kabelu typu D (ne kroucený vícežilový kabel se společným stíněním) - pouze 200 m. Délkou segmentu se rozumí součet délek hlavního kabelu a všech odboček z něj.
Závislost délky segmentu na typu kabelu.
Délka větví závisí na počtu zařízení v segmentu sítě. Takže při počtu zařízení do 12 je to maximálně 120 m. Při použití 32 zařízení v segmentu bude maximální délka větví pouze 1 m. Při připojení polních zařízení smyčkou každé další zařízení zkracuje délku větve o 30 m.
Závislost délky odboček z hlavního kabelu na počtu polních zařízení v segmentu.
Všechny tyto faktory přímo ovlivňují strukturu a topologii systému. Pro urychlení procesu návrhu sítě se používají speciální softwarové balíčky, jako je DesignMate od FieldComm Group nebo Fieldbus Network Planner od Phoenix Contact. Programy umožňují vypočítat fyzické a elektrické parametry sítě H1 s přihlédnutím ke všem možným omezením.
Účel komponent systému
Ovladač
Úkolem regulátoru je implementovat funkce Link Active Scheduler (LAS), hlavního zařízení, které spravuje síť odesíláním servisních zpráv. LAS iniciuje výměnu informací mezi účastníky sítě s plánovanými (plánovanými) nebo neplánovanými zprávami, diagnostikuje a synchronizuje všechna zařízení.
Kromě toho je kontrolér zodpovědný za automatické adresování polních zařízení a funguje jako zařízení brány, poskytující ethernetové rozhraní pro komunikaci s vyšší úrovní řídicího systému na bázi Foundation Fieldbus HSE nebo jiného komunikačního protokolu. Na nejvyšší úrovni systému poskytuje ovladač funkce monitorování a ovládání operátora a také funkce pro vzdálenou konfiguraci polních zařízení.
V síti může být několik Active Link Schedulers, které zaručují redundanci funkcí v nich zabudovaných. V moderních systémech lze funkce LAS implementovat v zařízení brány, které funguje jako převodník protokolů pro řídicí systémy postavené na jiném standardu než Foundation Fieldbus HSE.
Napájecí zdroje Fieldbus
Systém napájení v síti H1 hraje klíčovou roli, protože pro výměnu dat je nutné udržovat napětí v datovém kabelu v rozmezí 9 až 32 V DC. Ať už jsou polní zařízení napájena datovou sběrnicí nebo polními napájecími zdroji, síť vyžaduje sběrnicové napájení.
Jejich hlavním účelem je proto udržovat požadované elektrické parametry na sběrnici a také napájet zařízení připojená k síti. Sběrnicové napájecí zdroje se liší od konvenčních napájecích zdrojů tím, že mají odpovídající výstupní impedanci obvodu na frekvencích přenosu dat. Pokud k napájení sítě H1 použijete přímo napájecí zdroje 12 nebo 24 V, dojde ke ztrátě signálu a výměna informací na sběrnici nebude možná.
Redundantní fieldbus napájecí zdroje FB-PS (sestava pro 4 segmenty).
Vzhledem k důležitosti poskytování spolehlivého napájení sběrnice mohou být napájecí zdroje pro každý segment sítě redundantní. Napájecí zdroje Phoenix Contact FB-PS podporují technologii automatického vyrovnávání proudu. ASV zajišťuje symetrické zatížení mezi napájecími zdroji, což má příznivý vliv na jejich teplotní podmínky a v konečném důsledku vede ke zvýšení jejich životnosti.
Napájecí systém H1 je obvykle umístěn v řídicí skříni.
Zařízení rozhraní
Vazební zařízení jsou navržena pro připojení skupiny polních zařízení k hlavní datové sběrnici. Na základě funkcí, které plní, jsou rozděleny do dvou typů: moduly segmentové ochrany (Segment Protectors) a polní bariéry (Field Barriers).
Bez ohledu na typ chrání zařízení rozhraní síť před zkraty a nadproudy na odchozích linkách. Když dojde ke zkratu, zařízení rozhraní zablokuje port rozhraní, čímž zabrání šíření zkratu po celém systému a tím zaručí výměnu informací mezi ostatními síťovými zařízeními. Po odstranění zkratu na lince začne dříve zablokovaný komunikační port opět fungovat.
Polní bariéry navíc zajišťují galvanické oddělení mezi jiskrově bezpečnými obvody hlavní sběrnice a jiskrově bezpečnými obvody připojených polních zařízení (větví).
Fyzicky jsou zařízení rozhraní také dvou typů - blokové a modulární. Zařízení s blokovým rozhraním typu FB-12SP s funkcí ochrany segmentů vám umožňují používat jiskrově bezpečné obvody IC pro připojení polních zařízení v zóně 2 a bariéry pole FB-12SP ISO vám umožňují připojit zařízení v zónách 1 a 0 pomocí jiskrově bezpečného IA obvody.
Spojky FB-12SP a FB-6SP od společnosti Phoenix Contact.
Jednou z výhod modulárních zařízení je schopnost škálovat systém výběrem počtu kanálů potřebných pro připojení polních zařízení. Modulární zařízení navíc umožňují vytváření flexibilních struktur. V jedné rozvodné skříni je možné kombinovat moduly segmentové ochrany a polní bariéry, to znamená připojit polní zařízení umístěná v různých zónách s nebezpečím výbuchu z jedné skříně. Celkem lze na jednu sběrnici nainstalovat až 12 dvoukanálových modulů FB-2SP nebo jednokanálových bariérových modulů FB-ISO, čímž lze z jedné skříně připojit 24 polních zařízení v zóně 2 nebo až 12 senzorů v zóně 1 popř. 0.
Zařízení rozhraní mohou být provozována v širokém teplotním rozsahu a jsou instalována v nevýbušných skříních Ex e, Ex d se stupněm ochrany proti prachu a vlhkosti minimálně IP54, včetně co nejblíže k řídicímu objektu.
Zařízení na ochranu proti přepětí
Sítě na úrovni pole H1 mohou tvořit velmi dlouhé segmenty a komunikační linky mohou běžet v místech, kde jsou možné přepětí. Pulzní přepětí se rozumí indukované rozdíly potenciálu způsobené výboji blesku nebo zkraty v blízkých kabelových vedeních. Indukované napětí, jehož velikost je v řádu několika kilovoltů, způsobuje tok výbojových proudů kiloampérů. Všechny tyto jevy se vyskytují během mikrosekund, ale mohou vést k selhání komponent sítě H1. K ochraně zařízení před takovými jevy je nutné použít SPD. Použití SPD namísto konvenčních průchozích svorek zaručuje spolehlivý a bezpečný provoz systému v nepříznivých podmínkách.
Princip jeho činnosti je založen na použití kvazizkratu v rozsahu nanosekund pro tok výbojových proudů v obvodu, který využívá prvky, které vydrží tok proudů takové velikosti.
Existuje velké množství typů SPD: jednokanálové, dvoukanálové, s výměnnými zástrčkami, s různými typy diagnostiky - ve formě blinkru, suchého kontaktu. Nejmodernější diagnostické nástroje od společnosti Phoenix Contact vám umožňují monitorovat přepěťové ochrany pomocí digitálních služeb na bázi Ethernetu. Závod společnosti v Rusku vyrábí zařízení certifikovaná pro použití ve výbušném prostředí, včetně systémů Foundation Fieldbus.
Terminátor sběrnice
Terminátor plní v síti dvě funkce - odvádí proud fieldbus, který vzniká v důsledku modulace signálu a zabraňuje odrazu signálu od konců hlavního vedení, čímž zabraňuje vzniku šumu a jitteru (fázový jitter digitálního signálu). Terminátor vám tak umožňuje vyhnout se výskytu nepřesných dat v síti nebo úplné ztrátě dat.
Každý segment sítě H1 musí mít dva terminátory na každém konci segmentu. Napájecí zdroje a vazební členy sběrnice Phoenix Contact jsou vybaveny přepínatelnými terminátory. Přítomnost zvláštních terminátorů v síti, například kvůli chybě, výrazně sníží úroveň signálu ve vedení rozhraní.
Výměna informací mezi segmenty
Výměna informací mezi polními zařízeními není omezena na jeden segment, ale je možná mezi různými částmi sítě, které lze propojit prostřednictvím řídicí jednotky nebo podnikové sítě na bázi Ethernetu. V tomto případě lze použít protokol Foundation Fieldbus HSE nebo populárnější protokol, například Modbus TCP.
Při budování HSE sítě se používají průmyslové přepínače. Protokol umožňuje redundanci prstenů. V tomto případě je vhodné připomenout, že v kruhové topologii musí přepínače používat jeden z redundantních protokolů (RSTP, MRP nebo Extended Ring Redundancy) v závislosti na velikosti a požadované době konvergence sítě při přerušení komunikačních kanálů.
Integrace systémů na bázi HSE se systémy třetích stran je možná pomocí technologie OPC.
Metody ochrany proti výbuchu
K vytvoření nevýbušného systému se nestačí řídit pouze nevýbušnými vlastnostmi zařízení a volbou jeho správného umístění na místě. V rámci systému každé zařízení nefunguje samo o sobě, ale funguje v rámci jedné sítě. V sítích Foundation Fieldbus H1 výměna informací mezi zařízeními umístěnými v různých nebezpečných oblastech zahrnuje nejen přenos dat, ale také přenos elektrické energie. Množství energie, které bylo přijatelné v jedné zóně, nemusí být přijatelné v jiné. Proto se pro posouzení bezpečnosti polních sítí proti výbuchu a výběr optimální metody pro její zajištění používá systematický přístup. Mezi těmito metodami jsou nejrozšířenější metody pro zajištění jiskrové bezpečnosti.
Pokud jde o průmyslové sběrnice, v současné době existuje několik způsobů, jak dosáhnout jiskrové bezpečnosti: tradiční bariérová metoda IS, koncept FISCO a technologie High Power Trunk Technology (HPT).
První je založen na použití bariér IS a implementuje osvědčený koncept, který byl použit v řídicích systémech založených na analogových signálech 4-20 mA. Tato metoda je jednoduchá a spolehlivá, ale omezuje napájení polních zařízení v nebezpečných zónách 0 a 1 až 80 mA. V tomto případě je podle optimistické předpovědi možné připojit maximálně 4 polní zařízení na segment se spotřebou 20 mA, v praxi však ne více než 2. V tomto případě systém ztrácí všechny výhody, které existují v Foundation Fieldbus a ve skutečnosti vede k topologii point-to-point, kdy pro připojení velkého počtu polních zařízení musí být systém rozdělen do mnoha segmentů. Tento způsob také výrazně omezuje délku hlavního kabelu a větví.
Koncept FISCO byl vyvinut „Německým národním metrologickým institutem“ a později byl zahrnut do norem IEC a poté do GOST. Aby byla zajištěna vnitřní bezpečnost provozní sítě, koncept zahrnuje použití komponent, které splňují určitá omezení. Podobná omezení jsou formulována pro napájecí zdroje z hlediska výstupního výkonu, pro polní zařízení z hlediska spotřeby energie a indukčnosti, pro kabely z hlediska odporu, kapacity a indukčnosti. Taková omezení jsou způsobena tím, že kapacitní a indukční prvky mohou akumulovat energii, která se v nouzovém režimu v případě poškození kteréhokoli prvku systému může uvolnit a způsobit jiskrový výboj. Koncepce navíc zakazuje použití redundance v napájecím systému sběrnice.
FISCO poskytuje větší proud pro napájení zařízení v nebezpečných oblastech ve srovnání s metodou polní bariéry. Zde je k dispozici 115 mA, kterým lze napájet 4-5 zařízení v segmentu. Omezení však platí i pro délku hlavního kabelu a větví.
Technologie High Power Trunk je v současné době nejběžnější technologií jiskrové bezpečnosti v sítích Foundation Fieldbus, protože nemá nevýhody, které existují v sítích chráněných bariérou nebo FISCO. S využitím HPT je možné dosáhnout limitu polních zařízení v segmentu sítě.
Technologie neomezuje elektrické parametry sítě tam, kde to není nutné, např. na páteřní komunikační lince, kde není potřeba údržba a výměna zařízení. Pro připojení polních zařízení umístěných ve výbušné zóně se používají zařízení rozhraní s funkčností polních bariér, které omezují elektrické parametry sítě pro napájení snímačů a jsou umístěny přímo u řídicího objektu. V tomto případě je v celém segmentu použit typ ochrany proti výbuchu Ex e (zvýšená ochrana).
Zdroj: www.habr.com