Foundation Fieldbus er et digitalt kommunikationssystem, der bruges i automatisering sammen med Profibus, Modbus eller HART. Teknologien dukkede op noget senere end sine konkurrenter: den første udgave af standarden går tilbage til 1996 og inkluderer i øjeblikket to protokoller til informationsudveksling mellem netværksdeltagere - H1 og HSE (High Speed Ethernet).
H1-protokollen bruges til informationsudveksling på sensor- og controllerniveau, og dens netværk er baseret på IEC 61158-2 fysiske lag-standarden, hvilket tillader en dataoverførselshastighed på 31,25 kbit/s. I dette tilfælde er det muligt at forsyne feltenheder med strøm fra databussen. HSE-netværket er baseret på højhastigheds-Ethernet-netværk (100/1000 Mbit/s) og bruges til at opbygge et automatiseret proceskontrolsystemnetværk på niveau med controllere og virksomhedsstyringssystemer.
Teknologien er anvendelig til konstruktion af automatiserede processtyringssystemer til alle industrianlæg, men den er mest udbredt i virksomheder i olie- og gasindustrien og den kemiske industri.
Teknologiske muligheder
Foundation Fieldbus er udviklet som et alternativ til den traditionelle model af automatiserede styresystemer baseret på analoge sensorer og har en række fordele i forhold til både den traditionelle model og digitale systemer baseret på Profibus eller HART.
En af de vigtigste fordele er systemernes høje grad af pålidelighed og fejltolerance H1, som opnås på grund af to faktorer:
- brug af intelligente enheder (sensorer og aktuatorer) på feltniveau;
- evnen til at organisere informationsudveksling direkte mellem enheder på feltniveau uden deltagelse af en controller.
Intelligensen af feltenheder ligger i evnen til at implementere kontrol- og informationsbehandlingsalgoritmer, der traditionelt er implementeret i controlleren. I praksis giver dette systemet mulighed for at fortsætte driften, selvom controlleren svigter. Dette kræver, at feltenhederne konfigureres korrekt, og at der leveres en pålidelig feltbusstrømforsyning.
Yderligere fordele afledt af digitalisering af kontrolsystemet og brugen af smarte sensorer inkluderer evnen til at opnå flere data ud over måling fra hver feltenhed, hvilket i sidste ende udvider omfanget af procesovervågning, som i traditionelle analoge systemer er begrænset til signalinput/outputsystemet ...
Brugen af bustopologi i H1-netværket giver dig mulighed for at reducere længden af kabellinjer, mængden af installationsarbejde og eliminere brugen af ekstra udstyr i styresystemer: input/output-moduler, strømforsyninger og i farlige områder - gnist beskyttelsesbarrierer.
H1 tillader brug af 4-20 mA sensorkommunikationskabler, som kan bruges ved opgradering af ældre styresystemer. Takket være brugen af indre sikkerhedsprincipper bruges teknologien aktivt i eksplosive miljøer. Selve standardiseringen garanterer udskiftelighed og kompatibilitet af udstyr fra forskellige producenter, og takket være gateway-enheder er det muligt at forbinde et netværk af feltenheder og et industrielt kontrolsystemnetværk af virksomheder bygget på Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 ligner mest Profibus PA-systemer. Begge teknologier er baseret på den samme fysiske lagstandard, så disse systemer har de samme dataoverførselshastigheder, brugen af Manchester-kodning, elektriske parametre for kommunikationslinjen, mængden af mulig transmitteret effekt og den maksimalt tilladte kabellængde i et netværk segment (1900 m). Også i begge systemer er det muligt at bruge op til 4 repeatere, på grund af hvilke segmentlængden allerede kan nå 9,5 km. Mulige netværkstopologier i styresystemet samt principper for sikring af egensikkerhed er almindelige.
Systemkomponenter
Hovedelementerne i Foundation Fieldbus H1-netværket er:
- decentraliseret kontrolsystem (DCS) controller;
- feltbus strømforsyninger;
- blok- eller modulære grænsefladeenheder;
- bus terminatorer;
- intelligente feltenheder.
Systemet kan også indeholde gateway-enheder (Linking Device), protokolkonvertere, SPD'er og repeatere.
Netværkstopologi
Et vigtigt koncept i H1 netværket er begrebet segment. Det er en hovedkommunikationslinje (Trunk), med grene, der strækker sig fra den (Spur), hvortil feltenheder er forbundet. Trunkablet starter ved busstrømkilden og slutter normalt ved den sidste interfaceenhed. Fire typer topologi er tilladt til kommunikation mellem controlleren og feltenheder: punkt-til-punkt, sløjfe, bus og træ. Hvert segment kan bygges enten ved hjælp af en separat topologi eller ved hjælp af deres kombinationer.
Med en punkt-til-punkt-topologi er hver feltenhed forbundet direkte til controlleren. I dette tilfælde danner hver tilsluttet feltenhed sit eget netværkssegment. Denne topologi er ubelejlig, fordi den fratager systemet næsten alle de fordele, der er forbundet med Foundation Fieldbus. Der er for mange interfaces på controlleren, og for at forsyne feltenheder fra databussen skal hver kommunikationslinje have sin egen feltbusstrømforsyning. Længden af kommunikationslinjerne viser sig at være for lang, og informationsudveksling mellem enheder udføres kun gennem controlleren, hvilket ikke tillader brug af princippet om høj fejltolerance for H1-systemer.
Sløjfe-topologien indebærer en seriel forbindelse af feltenheder til hinanden. Her er alle feltenheder samlet i ét segment, hvilket tillader brug af færre ressourcer. Denne topologi har imidlertid også ulemper - først og fremmest er det nødvendigt at tilvejebringe metoder, hvor svigt af en af de mellemliggende sensorer ikke vil føre til tab af kommunikation med de andre. En anden ulempe forklares af manglen på beskyttelse mod en kortslutning i kommunikationslinjen, hvor informationsudveksling i segmentet vil være umulig.
To andre netværkstopologier har den største pålidelighed og praktiske - bus- og trætopologi, som har fundet den største udbredelse i praksis ved opbygning af H1-netværk. Ideen bag disse topologier er at bruge grænsefladeenheder til at forbinde feltenheder til backbone. Koblingsenheder gør det muligt at tilslutte hver feltenhed til sit eget interface.
Netværks indstillinger
Vigtige spørgsmål ved opbygning af et H1-netværk er dets fysiske parametre - hvor mange feltenheder kan bruges i et segment, hvad er den maksimale længde af et segment, hvor lange kan grenene være. Svaret på disse spørgsmål afhænger af typen af strømforsyning og energiforbrug for feltenhederne og for farlige områder, metoderne til at sikre egensikkerhed.
Det maksimale antal feltenheder i et segment (32) kan kun opnås, hvis de får strøm fra lokale kilder på stedet, og hvis egensikkerhed ikke er tilgængelig. Når sensorer og aktuatorer strømforsynes fra databussen, må det maksimale antal enheder kun være 12 eller mindre afhængigt af egensikkerhedsmetoder.
Afhængighed af antallet af feltenheder af strømforsyningsmetoden og metoder til sikring af egensikkerhed.
Længden af netværkssegmentet bestemmes af den anvendte kabeltype. Den maksimale længde på 1900 m opnås ved brug af type A-kabel (parsnoet med skærm). Ved brug af kabeltype D (ikke snoet flerlederkabel med fælles skærm) - kun 200 m. Længden af et segment forstås som summen af længderne af hovedkablet og alle forgreninger fra det.
Afhængighed af segmentlængde af kabeltype.
Længden af grenene afhænger af antallet af enheder i netværkssegmentet. Så med antallet af enheder op til 12 er dette maksimalt 120 m. Når du bruger 32 enheder i et segment, vil den maksimale længde af grenene kun være 1 m. Ved tilslutning af feltenheder med en sløjfe, hver ekstra enhed reducerer grenens længde med 30 m.
Afhængighed af længden af grene fra hovedkablet af antallet af feltenheder i segmentet.
Alle disse faktorer påvirker direkte systemets struktur og topologi. For at fremskynde netværksdesignprocessen anvendes specielle softwarepakker, såsom DesignMate fra FieldComm Group eller Fieldbus Network Planner fra Phoenix Contact. Programmerne giver dig mulighed for at beregne de fysiske og elektriske parametre for H1-netværket under hensyntagen til alle mulige begrænsninger.
Formål med systemkomponenter
Controller
Controllerens opgave er at implementere funktionerne i Link Active Scheduler (LAS), hovedenheden, der styrer netværket ved at sende servicebeskeder. LAS igangsætter informationsudveksling mellem netværksdeltagere med planlagte (planlagte) eller ikke-planlagte beskeder, diagnosticerer og synkroniserer alle enheder.
Derudover er controlleren ansvarlig for automatisk adressering af feltenheder og fungerer som en gateway-enhed, der giver et Ethernet-interface til kommunikation med det øverste niveau af styresystemet baseret på Foundation Fieldbus HSE eller anden kommunikationsprotokol. På øverste niveau af systemet giver controlleren operatørovervågnings- og kontrolfunktioner samt funktioner til fjernkonfiguration af feltenheder.
Der kan være flere Active Link Schedulers i netværket, hvilket garanterer redundansen af de funktioner, der er indlejret i dem. I moderne systemer kan LAS-funktioner implementeres i en gateway-enhed, der fungerer som en protokolkonverter for styresystemer bygget på en anden standard end Foundation Fieldbus HSE.
Fieldbus strømforsyninger
Strømforsyningssystemet i H1 netværket spiller en nøglerolle, for for at dataudvekslingen skal være mulig, skal spændingen i datakablet holdes i området 9 til 32 V DC. Uanset om feltenheder får strøm fra databussen eller af feltstrømforsyninger, kræver netværket busstrømforsyninger.
Derfor er deres hovedformål at opretholde de nødvendige elektriske parametre på bussen samt strømforsyne de enheder, der er tilsluttet netværket. Busstrømforsyninger adskiller sig fra konventionelle strømforsyninger ved, at de har en tilsvarende udgangskredsløbsimpedans ved datatransmissionsfrekvenser. Hvis du direkte bruger 1 eller 12 V strømforsyninger til at forsyne H24 netværket, vil signalet gå tabt, og informationsudveksling på bussen vil ikke være mulig.
Redundante feltbusstrømforsyninger FB-PS (samling til 4 segmenter).
I betragtning af vigtigheden af at levere pålidelig busstrøm kan strømforsyningerne til hvert netværkssegment være overflødige. Phoenix Contact FB-PS strømforsyninger understøtter Auto Current Balancing-teknologi. ASV giver en symmetrisk belastning mellem strømkilderne, hvilket har en gavnlig effekt på deres temperaturforhold og i sidste ende fører til en forøgelse af deres levetid.
H1-strømforsyningssystemet er typisk placeret i controllerskabet.
Interface-enheder
Koblingsenheder er designet til at forbinde en gruppe feltenheder til hoveddatabussen. Baseret på de funktioner, de udfører, er de opdelt i to typer: segmentbeskyttelsesmoduler (Segment Protectors) og feltbarrierer (Field Barriers).
Uanset typen beskytter interfaceenheder netværket mod kortslutninger og overstrømme i udgående linjer. Når der opstår en kortslutning, blokerer interfaceenheden interfaceporten, hvilket forhindrer kortslutningen i at sprede sig i hele systemet og garanterer dermed informationsudveksling mellem andre netværksenheder. Efter at have elimineret kortslutningen på linjen, begynder den tidligere blokerede kommunikationsport at fungere igen.
Feltbarrierer giver desuden galvanisk isolation mellem ikke-egensikre kredsløb i hovedbussen og egensikre kredsløb for tilsluttede feltenheder (grene).
Fysisk er grænsefladeenheder også af to typer - blok og modulære. Blokinterfaceenheder af typen FB-12SP med segmentbeskyttelsesfunktionalitet giver dig mulighed for at bruge egensikre IC-kredsløb til at forbinde feltenheder i Zone 2, og FB-12SP ISO-feltbarrierer giver dig mulighed for at forbinde enheder i Zone 1 og 0 ved hjælp af egensikker IA kredsløb.
FB-12SP og FB-6SP koblinger fra Phoenix Contact.
En af fordelene ved modulære enheder er evnen til at skalere systemet ved at vælge det antal kanaler, der kræves for at forbinde feltenheder. Derudover tillader modulære enheder skabelsen af fleksible strukturer. I et distributionsskab er det muligt at kombinere segmentbeskyttelsesmoduler og feltbarrierer, det vil sige at forbinde feltenheder placeret i forskellige eksplosionsfarlige zoner fra et skab. I alt kan der installeres op til 12 tokanals FB-2SP-moduler eller enkeltkanals FB-ISO-barrieremoduler på én bus, og dermed forbindes fra ét kabinet til 24 feltenheder i Zone 2 eller op til 12 sensorer i Zone 1 eller 0.
Interface-enheder kan betjenes i et bredt temperaturområde og monteres i eksplosionssikre kapslinger Ex e, Ex d med en grad af støv- og fugtbeskyttelse på mindst IP54, herunder så tæt som muligt på styreobjektet.
Overspændingsbeskyttelsesanordninger
H1-netværk på feltniveau kan danne meget lange segmenter, og kommunikationslinjer kan køre på steder, hvor overspændingsstigninger er mulige. Pulsoverspændinger forstås som inducerede potentialeforskelle forårsaget af lynudladninger eller kortslutninger i nærliggende kabelledninger. Den inducerede spænding, hvis størrelse er i størrelsesordenen adskillige kilovolt, forårsager strømmen af udladningsstrømme på kiloampere. Alle disse fænomener opstår inden for mikrosekunder, men kan føre til svigt af H1 netværkskomponenter. For at beskytte udstyr mod sådanne fænomener er det nødvendigt at bruge en SPD. Brugen af SPD'er i stedet for konventionelle gennemføringsterminaler garanterer pålidelig og sikker drift af systemet under ugunstige forhold.
Princippet for dets drift er baseret på brugen af en kvasi-kortslutning i nanosekundområdet til strømmen af afladningsstrømme i et kredsløb, der bruger elementer, der kan modstå strømmen af strømme af en sådan størrelse.
Der er et stort antal typer SPD'er: enkeltkanal, dobbeltkanal, med udskiftelige stik, med forskellige typer diagnostik - i form af et blink, tør kontakt. Avancerede diagnoseværktøjer fra Phoenix Contact giver dig mulighed for at overvåge overspændingsbeskyttere ved hjælp af Ethernet-baserede digitale tjenester. Virksomhedens fabrik i Rusland producerer enheder, der er certificeret til brug i eksplosive miljøer, herunder Foundation Fieldbus-systemer.
Busterminator
Terminatoren udfører to funktioner i netværket - den shunter feltbusstrømmen, som opstår som et resultat af signalmodulation og forhindrer signalet i at blive reflekteret fra enderne af hovedlinjen, og forhindrer dermed forekomsten af støj og jitter (fasejitter) af det digitale signal). Således giver terminatoren dig mulighed for at undgå udseendet af unøjagtige data på netværket eller tab af data helt.
Hvert segment af H1-netværket skal have to terminatorer i hver ende af segmentet. Phoenix Contact busstrømforsyninger og -koblinger er udstyret med omskiftelige terminatorer. Tilstedeværelsen af ekstra terminatorer i netværket, for eksempel på grund af en fejl, vil reducere signalniveauet i grænsefladelinjen betydeligt.
Informationsudveksling mellem segmenter
Informationsudveksling mellem feltenheder er ikke begrænset til ét segment, men er mulig mellem forskellige dele af netværket, som kan forbindes via en controller eller et Ethernet-baseret anlægsnetværk. I dette tilfælde kan Foundation Fieldbus HSE-protokollen eller en mere populær, for eksempel Modbus TCP, bruges.
Ved opbygning af et HSE-netværk anvendes switche i industriel kvalitet. Protokollen tillader ringeredundans. I dette tilfælde er det værd at huske, at i en ringtopologi skal switches bruge en af redundansprotokollerne (RSTP, MRP eller Extended Ring Redundancy) afhængigt af størrelsen og den nødvendige netværkskonvergenstid, når kommunikationskanalerne er brudt.
Integration af HSE-baserede systemer med tredjepartssystemer er mulig ved brug af OPC-teknologi.
Eksplosionssikre metoder
For at skabe et eksplosionssikkert system er det ikke nok kun at blive styret af udstyrets eksplosionssikre egenskaber og valget af dets korrekte placering på stedet. Inden for systemet fungerer hver enhed ikke alene, men opererer inden for et enkelt netværk. I Foundation Fieldbus H1-netværk involverer informationsudveksling mellem enheder placeret i forskellige farlige områder ikke kun overførsel af data, men også overførsel af elektrisk energi. Mængden af energi, der var acceptabel i én zone, er muligvis ikke acceptabel i en anden. For at vurdere eksplosionssikkerheden af feltnetværk og vælge den optimale metode til at sikre det, anvendes en systematisk tilgang. Blandt disse metoder er de mest anvendte metoder til at sikre egensikkerhed.
Når det kommer til feltbusser, er der i øjeblikket flere måder at opnå egensikkerhed på: Den traditionelle IS-barrieremetode, FISCO-konceptet og High Power Trunk Technology (HPT).
Den første er baseret på brugen af IS-barrierer og implementerer et gennemprøvet koncept, der er blevet brugt i styresystemer baseret på 4-20 mA analoge signaler. Denne metode er enkel og pålidelig, men begrænser strømforsyningen til feltenheder i farlige zoner 0 og 1 til 80 mA. I dette tilfælde er det ifølge en optimistisk prognose muligt at tilslutte højst 4 feltenheder pr. segment med et forbrug på 20 mA, men i praksis ikke mere end 2. I dette tilfælde mister systemet alle de fordele, der eksisterer i Foundation Fieldbus og faktisk fører til en punkt-til-punkt topologi, når man skal tilslutte et stort antal feltenheder, skal systemet opdeles i mange segmenter. Denne metode begrænser også væsentligt længden af hovedkablet og grenene.
FISCO-konceptet blev udviklet af "National Metrological Institute of Germany" og blev senere inkluderet i IEC-standarderne og derefter i GOST. For at sikre feltnettets iboende sikkerhed involverer konceptet brug af komponenter, der opfylder visse restriktioner. Lignende begrænsninger er formuleret for strømforsyninger med hensyn til udgangseffekt, for feltenheder med hensyn til strømforbrug og induktans, for kabler med hensyn til modstand, kapacitans og induktans. Sådanne begrænsninger skyldes det faktum, at kapacitive og induktive elementer kan akkumulere energi, som i nødtilstand, i tilfælde af beskadigelse af et hvilket som helst element i systemet, kan frigives og forårsage en gnistudladning. Derudover forbyder konceptet brug af redundans i busstrømsystemet.
FISCO giver større strøm til strømforsyning af enheder i farlige områder sammenlignet med feltbarrieremetoden. 115 mA er tilgængelig her, som kan bruges til at forsyne 4-5 enheder i segmentet. Der er dog også begrænsninger på længden af hovedkablet og afgreninger.
High Power Trunk-teknologi er i øjeblikket den mest almindelige indre sikkerhedsteknologi i Foundation Fieldbus-netværk, fordi den ikke har de ulemper, der findes i barrierebeskyttede eller FISCO-netværk. Med brugen af HPT er det muligt at opnå grænsen for feltenheder i et netværkssegment.
Teknologien begrænser ikke netværkets elektriske parametre, hvor dette ikke er nødvendigt, for eksempel på en backbone-kommunikationslinje, hvor der ikke er behov for vedligeholdelse og udskiftning af udstyr. For at forbinde feltenheder placeret i en eksplosiv zone bruges grænsefladeenheder med funktionaliteten af feltbarrierer, som begrænser netværkets elektriske parametre til strømforsyning af sensorerne og er placeret direkte ved siden af kontrolobjektet. I dette tilfælde anvendes typen af eksplosionsbeskyttelse Ex e (øget beskyttelse) i hele segmentet.
Kilde: www.habr.com