Foundation Fieldbus er et digitalt kommunikationssystem, der anvendes i automation sammen med systemer som Profibus, Modbus eller HART. Teknologien opstod nogle år efter sine konkurrenter: den første version af standarden blev dateret til 1996 og omfatter i øjeblikket to protokoller til informationsudveksling mellem netværkets deltagere – H1 og HSE (High Speed Ethernet).
H1-protokollen anvendes til informationsudveksling på niveauet for sensorer og controllere, og dens netværk er baseret på standarden for det fysiske lag IEC 61158-2, som tillader dataoverførselshastigheder på 31,25 kbit/s. Desuden kan strømforsyning til feltenhederne organiseres via dataoverførselsbussen. HSE-netværket er baseret på højhastigheds-Ethernet-netværk (100/1000 Mbit/s) og anvendes til at opbygge SCADA-netværk på niveauet for controllere og virksomhedsledelsessystemer.
Teknologien kan anvendes til opbygning af SCADA-systemer for enhver industri, men den har især fundet udbredelse i virksomheder i olie- og gasindustrien samt den kemiske industri.
Teknologiens muligheder
Foundation Fieldbus blev udviklet som et alternativ til den traditionelle model for automatiserede styringssystemer baseret på analoge sensorer og har fået en række fordele både i forhold til den traditionelle model og i forhold til digitale systemer baseret på Profibus eller HART.
En af de vigtigste fordele er den høje grad af pålidelighed og fejltolerance i systemerne H1, hvilket opnås takket være to faktorer:
- brugen af intelligente enheder på felt niveau (sensorer og aktuatorer);
- muligheden for at organisere informationsudveksling direkte mellem feltniveau enheder uden involvering af en controller.
Intelligensen i feltenhederne ligger i muligheden for at indbygge kontrol- og informationsbehandlingsalgoritmer, som traditionelt realiseres i controllere. Praktisk set giver dette systemet mulighed for at fortsætte med at fungere, selv når controllere svigter. Det kræver, at feltenhederne er konfigureret korrekt, og at der er sikret en pålidelig strømforsyning til feltbussen.
De ekstra fordele ved at digitalisere styringssystemet og bruge intelligente sensorer kommer fra muligheden for at indsamle mere data end blot målinger fra hver feltanordning, hvilket i sidste ende udvider overvågningsområdet i processen, som i traditionelle analoge systemer er begrænset af ind- og udgangssystemet for signaler.
Brugen af bus-topologi i H1-netværket reducerer længden af kabelføringerne, mængden af installationsarbejde og gør det muligt at undgå brugen af yderligere udstyr i kontrolsystemer: ind- og udgangsmoduler, strømforsyninger, og i eksplosive områder — gnistsikringsbarrierer.
H1 tillader brug af kabler til datalinjer med sensorer 4-20 mA, hvilket kan anvendes ved opgradering af gamle kontrolsystemer. Takket være anvendelsen af prinsipper for gnistsikkerhed anvendes teknologien aktivt i eksplosive miljøer. Selve standardiseringen garanterer udskiftelighed og kompatibilitet mellem udstyr fra forskellige producenter, og ved hjælp af gateway-enheder er det muligt at sammenkoble feltanordningernes netværk og virksomhedens automatiserings- og kontrolsystemer, der er bygget på Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 ligner mest Profibus PA-systemerne. Begge teknologier er baseret på den samme standard for det fysiske lag, så dataoverførselshastighederne, brugen af Manchester-kodning, elektriske parameter for datalinjen, mængden af mulig overført effekt og maksimal længde af kabel i netværkssegmentet (1900 m) er ens for disse systemer. Derudover er det muligt at bruge op til 4 repetitører i begge systemer, hvilket gør det muligt at nå længder på op til 9,5 km. De mulige netværks-topologier i kontrolsystemet samt principperne for gnistsikkerhed er også fælles.
Systemkomponenter
De primære elementer i Foundation Fieldbus H1-netværket er:
- controller for decentraliseret kontrolsystem (DCS);
- strømforsyninger til feltbus;
- blok- eller modulære koblingsenheder;
- bussterminatorer;
- intelligente feltanordninger.
Systemet kan også indeholde gateway-enheder (Linking Device), protokolkonvertere, overspændingsbeskyttelse og repetitører.
Netværkstopologi
Et vigtigt begreb i H1-netværket er segmentet. Det repræsenterer en hovedforbindelse (Trunk) med afstikkere (Spur), som tilsluttes feltenheder. Hovedkablet starter ved strømforsyningen til busserne og slutter typisk ved den sidste tilsluttede enhed. Der accepteres fire typer topologier til kommunikation mellem kontrolleren og feltenhederne: punkt-til-punkt, kæde, bus og træ. Hvert segment kan konstrueres med enten en separat topologi eller en kombination af dem.
Ved brug af punkt-til-punkt topologi tilsluttes hver feltenhed direkte til kontrolleren. Her danner hver tilsluttede feltenhed sit eget netværkssegment. Denne topologi viser sig at være uhensigtsmæssig, da den næsten eliminerer alle fordele, der er indbygget i Foundation Fieldbus. For kontrolleren er der alt for mange interfaces, og for at forsyne feltenhederne fra databusserne skal der være en separat strømkilde for hver kommunikationslinje. Længden på kommunikationslinjerne bliver for stor, og informationsudvekslingen mellem enhederne sker kun gennem kontrolleren, hvilket forhindrer brugen af princippet om høj fejltolerance i H1-systemer.
Kædetopologien indebærer en sekventiel forbindelse mellem feltenhederne. Her er alle feltenheder samlet i ét segment, hvilket gør det muligt at bruge færre ressourcer. Dog har denne topologi også ulemper – først og fremmest skal der være metoder til at sikre, at en fejl i en af de mellemliggende sensorer ikke fører til kommunikationsbrud med de øvrige. En anden ulempe skyldes manglen på beskyttelse mod kortslutning i kommunikationslinjen, hvilket gør informationsudvekslingen i segmentet umulig.
De mest pålidelige og praktiske netværkstopologier er bus- og trætopologierne, som har fundet størst anvendelse i praksis ved opbygning af H1-netværk. Disse topologiers essens ligger i brugen af interface-enheder til at forbinde feltudstyr til hovedkommunikationslinjen. Interface-enhederne gør det muligt at forbinde hvert feltudstyr til sin egen grænseflade.
Netværksparametre
Vigtige spørgsmål ved opbygningen af et H1-netværk er dets fysiske parametre – hvor mange feltudstyr der kan anvendes i et segment, hvilken maksimal længde et segment kan have, og hvor lange afstikkere kan være. Svaret på disse spørgsmål afhænger af strømkilden og energiforbruget af feltudstyr, samt metoderne til at sikre gnistbeskyttelse ved eksplosive objekter.
Det maksimale antal feltudstyr i et segment (32) kan kun opnås, hvis de forsynes fra lokale kilder på stedet og ikke kræver gnistbeskyttelse. Når sensorer og aktuatorer forsynes fra databus, kan det maksimale antal enheder kun være 12 eller færre afhængigt af metoderne til gnistbeskyttelse.
Afhængigheden af antallet af feltudstyr fra strømforsyningsmetoden og metoderne til gnistbeskyttelse.
Længden af netværkssegmentet bestemmes af den anvendte kabeltype. Den maksimale længde på 1900 m opnås ved brug af type A-kabel (skærmet tvistet par). Ved brug af type D-kabel (uskærmet flertrådet kabel med fælles skærm) kun 200 m. Segmentlængden forstås som summen af længderne af hovedkablet og alle afgreninger fra det.
Afhængigheden af segmentlængden fra kabeltypen.
Længden af afgreninger afhænger af antallet af enheder i netværkssegmentet. For op til 12 enheder er den maksimale længde 120 m. Hvis segmentet har 32 enheder, vil den maksimale længde af afgreninger kun være 1 m. Når feltudstyr tilsluttes i serie, reducerer hvert ekstra udstyr længden af afgreningen med 30 m.
Afhængigheden af længden af afgreningen fra hovedkablets længde fra antallet af feltudstyr i segmentet.
Alle disse faktorer påvirker direkte strukturen og topologien af systemet. For at fremskynde netværksdesignprocessen anvendes specialiserede software, såsom DesignMate fra FieldComm Group eller Fieldbus Network Planner fra Phoenix Contact. Programmerne muliggør beregning af fysiske og elektriske parametre for H1-netværket under hensyntagen til alle mulige begrænsninger.
Formålet med systemets komponenter
Controller
Controllerens opgave er at implementere funktionerne i Active Scheduler of Links (LAS) – den primære enhed, der styrer netværket ved hjælp af forsendelse af kontrolmeddelelser. LAS initierer informationsudveksling mellem netværksdeltagerne ved planlagte (ifølge tidsplan) eller ikke-planlagte meddelelser, udfører diagnosticering og synkronisering af alle enheder.
Derudover er controlleren ansvarlig for den automatiske adressering af feltudstyr, fungerer som en gateway-enhed, der leverer Ethernet-grænseflade til kommunikation med det øverste niveau af kontrolsystemet baseret på Foundation Fieldbus HSE eller et andet kommunikationsprotokol. For det øverste niveau af systemet leverer controlleren overvågnings- og styringsfunktioner fra operatøren samt funktioner til fjernkonfigurering af feltudstyr.
I netværket kan der være flere Aktive Planlæggere af Links, der garanterer redundans af de funktioner, der er indlejret i dem. I moderne systemer kan LAS-funktioner implementeres i gateway-enheden, der fungerer som protokolomformer for kontrolsystemer bygget på en standard, der adskiller sig fra Foundation Fieldbus HSE.
Strømforsyninger til feltbus
Strømforsyningssystemet i H1-netværket spiller en nøglerolle, da der for selve muligheden for informationsudveksling i datatransmissionskablet skal opretholdes en spænding mellem 9 og 32 V jævnstrøm. Uanset om feltudstyr får strøm fra datatransmissionsbus eller fra lokale strømkilder, er der behov for busstrømforsyninger i netværket.
Deres primære funktion er derfor at opretholde de nødvendige elektriske parametre på bussen samt at forsyne de enheder, der er tilsluttet netværket. Strømforsyninger til busser adskiller sig fra almindelige strømforsyninger ved, at de har den passende impedans i udgangskredsen ved dataoverførselsfrekvenser. Hvis man bruger strømforsyninger på 12 eller 24 V direkte til at forsyne H1-netværket, vil signalet gå tabt, og kommunikation på bussen vil være umulig.
Reservedelenheder til feltbus strømforsyning FB-PS (samling til 4 segmenter).
I betragtning af vigtigheden af at sikre pålidelig strømforsyning til bussen kan strømforsyningerne for hvert netværksegment være reserveret. FB-PS strømforsyningerne fra Phoenix Contact understøtter teknologien for automatisk balancering af strømbelastningen (Auto Current Balancing). ACB sikrer en symmetrisk belastning mellem strømforsyningerne, hvilket er gavnligt for deres temperatursituation og i sidste ende fører til en forlængelse af deres levetid.
Strømforsyningssystemet til H1-netværket er normalt placeret i kontrolskabet.
Koblingsenheder
Koblingsenheder er designet til at forbinde en gruppe felt-enheder til databasens hovedledning. De opdeles i to typer baseret på udførte funktioner: segmentbeskyttelsesmoduler (Segment Protectors) og feltbarrierer (Field Barriers).
Uanset type beskytter koblingsenhedernetværket mod kortslutninger og overbelastninger i udgående linjer. Ved kortslutning blokerer koblingsenheden interfaceporten, hvilket forhindrer at kortslutningen spreder sig i systemet og dermed sikrer informationsudvekslingen mellem de øvrige enheder i netværket. Når kortslutningen er fjernet, genoptager den tidligere blokerede kommunikationsport sin funktion.
Feltbarrierer tilbyder desuden galvanisk adskillelse mellem ikke-iskbeskyttede kredsløb i hovedledningen og de iskbeskyttede kredsløb af de tilsluttede felt-enheder (afledninger).
Fysiske forbindelsesenheder findes også i to typer - blok- og modulopbygning. Blokforbindelsesenheder af typen FB-12SP med segmentbeskyttelsesfunktionalitet muliggør brug af gnistbeskyttede kredsløb IC til tilslutning af feltudstyr i Zone 2, mens feltbarrierer FB-12SP ISO muliggør tilslutning af enheder i Zone 1 og 0 med gnistbeskyttede kredsløb IA.
Forbindelsesenhederne FB-12SP og FB-6SP fra Phoenix Contact.
En af fordelene ved modulære enheder er muligheden for at skalere systemet ved at vælge det nødvendige antal kanaler til tilslutning af feltudstyr. Desuden muliggør modulære enheder at skabe fleksible strukturer. I et fordelingsskab kan man kombinere segmentbeskyttelsesmoduler og feltbarrierer, hvilket betyder, at man kan tilslutte feltudstyr placeret i forskellige eksplosionsfarlige zoner fra et enkelt skab. I alt kan der installeres op til 12 tokanals moduler FB-2SP eller enkanals barrieremoduler FB-ISO på en enkelt bus, hvilket muliggør tilslutning af op til 24 feltudstyr i Zone 2 eller op til 12 sensorer i Zone 1 eller 0 fra et enkelt skab.
Forbindelsesenheder kan anvendes i et bredt temperaturinterval og installeres i eksplosionbeskyttede kabinettet Ex e, Ex d med en beskyttelsesgrad mod støv og fugt på mindst IP54, herunder så tæt som muligt på kontrolobjektet.
Beskyttelsesenheder mod overspændingspulser
Feldniveau netværk H1 kan danne meget lange segmenter, og kommunikationslinjerne kan passere steder, hvor der kan dannes overspændingspulser. Med overspændingspulser forstås induceret spændingsforskel forårsaget af lynudladninger eller kortslutninger i nærliggende kabelledninger. Den inducerede spænding, som ligger i størrelsesordenen flere kilovolt, medfører strømme af discharge-aktiver på kilampere niveau. Alle disse fænomener sker inden for mikrosekunder, men kan resultere i funktionsfejl i H1-netværkets komponenter. For at beskytte udstyret mod sådanne fænomener er det nødvendigt at anvende overspændingsbeskyttelsesanordninger (UZIП). Anvendelsen af UZIП i stedet for almindelige gennemgangsklemmer garanterer pålidelig og sikker drift af systemet under ugunstige forhold.
Dets princip er baseret på brugen af kvasi-kortslutning i nanosekundsintervallet til at lede discharge-strømme i en kreds, hvor der anvendes komponenter, der kan modstå strømme af denne størrelse.
Der findes mange varianter af overspændingsbeskyttelse (UЗИП): enkeltkanals, tocannels, med udskiftelige stik, med forskellige diagnosemetoder - såsom blinker eller tør kontakt. Moderne diagnoseværktøjer fra Phoenix Contact muliggør overvågning af UЗИП ved hjælp af digitale tjenester baseret på Ethernet. På virksomhedens fabrik i Rusland fremstilles enheder, der er certificeret til brug i eksplosive miljøer, herunder i Foundation Fieldbus-systemer.
Busterminator
Terminatoren udfører to funktioner i netværket – den shunterer strømmen fra fieldbus, der opstår som følge af signalmodulering, og forhindrer signalrefleksion fra enderne af transmissionslinjen, hvilket dermed forhindrer støj og jitter (fasefluktuation i det digitale signal). På denne måde forhindrer terminatoren forekomsten af unøjagtige data i netværket eller datatab helt.
I hvert segment af H1-netværket er der nødvendigvis to terminatorer, placeret i hver ende af segmentet. Strømkilder til bus og kobleapparater fra Phoenix Contact leveres med afbrydelige terminatorer. Tilstedeværelsen af overflødige terminatorer i netværket, for eksempel som følge af fejl, vil betydeligt reducere signalniveauet i interface-linjen.
Informationsudveksling mellem segmenter
Informationsudveksling mellem feltapparater er ikke begrænset til ét segment, men er mulig mellem forskellige dele af netværket, som kan være forbundet via en controller eller et virksomhedsnetværk baseret på Ethernet. Her kan der anvendes Foundation Fieldbus HSE-protokollen eller en mere populær, såsom Modbus TCP.
Ved opbygning af HSE-netværk anvendes industrielle switches. Protokollen tillader ringredundans. I dette tilfælde skal man huske, at i en ringtopologi skal switches benytte en af redundansprotokollerne (RSTP, MRP eller Extended Ring Redundancy) alt efter størrelsen og den krævede konvergenshastighed i netværket ved nedbrud af kommunikationskanaler.
Integration of HSE-based systems with third-party systems is possible using OPC technology.
Methods for Ensuring Explosion Safety
Creating an explosion-safe system requires more than just following the explosion safety characteristics of the equipment and choosing its proper placement on site. Each device within the system does not operate independently; rather, it functions within a unified network. In Foundation Fieldbus H1 networks, information exchange between devices located in different hazardous areas involves not only data transmission but also electrical energy transfer. The amount of energy acceptable in one zone may be unacceptable in another. Therefore, to assess the explosion safety of field networks and choose the optimal method of ensuring it, a systemic approach is employed. Among such methods, the most widely used are the methods for ensuring intrinsic safety.
Currently, there are several methods for ensuring intrinsic safety applicable to field buses: the traditional method of intrinsic safety barriers, the FISCO concept, and the High Power Trunk (HPT) technology.
The first method is based on the use of intrinsic safety barriers and implements a proven concept that was used in control systems based on analog signals of 4-20 mA. This method is simple and reliable; however, it limits the power supply to field devices in hazardous Zones 0 and 1 to 80 mA. Under optimistic forecasts, it is possible to connect no more than 4 field devices in a segment with a consumption of 20 mA, but in practice, no more than 2. This results in the system losing all the advantages present in Foundation Fieldbus and effectively leads to a point-to-point topology, where a large number of field devices require the system to be divided into multiple segments. Additionally, this method significantly limits the length of the trunk cable and branches.
FISCO-konceptet blev udviklet af "Det Tyske Nationalmetrologiske Institut" og blev senere en del af IEC-standarder og derefter GOST. For at garantere gnistbeskyttelse af feltnetværket indebærer konceptet brug af komponenter, der opfylder bestemte begrænsninger. Sådanne begrænsninger formuleres for strømkilder baseret på udgangseffekt, for feltapparater baseret på forbrugseffekt og induktans, samt for kabler baseret på modstand, kapacitans og induktans. Disse begrænsninger er relateret til, at kapacitive og induktive elementer kan akkumulere energi, som i tilfælde af en nødtilstand, hvis et systemelement beskadiges, kan frigives og forårsage en gnistudladning. Derudover forbyder konceptet brug af redundant forsyning i strømsystemet.
FISCO giver en højere strømstyrke til at forsyne apparater i eksplosive zoner sammenlignet med metoden med feltbarrierer. Her er der 115 mA tilgængelig, hvilket gør det muligt at forsyne 4-5 apparater i segmentet. Derudover er der også begrænsninger for længden af hovedkablet og forgreningerne.
High Power Trunk-teknologien er i øjeblikket den mest udbredte teknologi til at sikre gnistbeskyttelse i Foundation Fieldbus-netværk, fordi den er fri for de mangler, der findes i netværk beskyttet af barrierer eller bygget i henhold til FISCO. Ved brug af HPT blev det muligt at nå den maksimale grænse for feltapparater i netværkssegmente.
Teknologien begrænser ikke de elektriske parametre i netværket der, hvor det ikke er nødvendigt, for eksempel på hovedkommunikationslinjen, hvor vedligeholdelse og udskiftning af udstyr ikke er påkrævet. For at tilslutte feltapparater placeret i eksplosive zoner anvendes tilknyttede enheder med funktionalitet fra feltbarrierer, som begrænser de elektriske parametre i netværket til at forsyne sensorer og placeres direkte ved kontrolobjektet. I dette tilfælde anvendes en type eksplosionbeskyttelse Eх e (forøget beskyttelse) i hele segmentet.
Kilde: habr.com
