Foundation Fieldbus ist ein digitales Kommunikationssystem, das in der Automatisierung neben Technologien wie Profibus, Modbus oder HART eingesetzt wird. Die Technologie entstand einige Jahre später als ihre Wettbewerber: Die erste Version des Standards wurde 1996 veröffentlicht und umfasst mittlerweile zwei Protokolle für den Informationsaustausch zwischen den Netzwerkteilnehmern – H1 und HSE (High Speed Ethernet).
Das H1-Protokoll wird für den Informationsaustausch auf der Ebene der Sensoren und Steuerungen verwendet, und sein Netzwerk basiert auf dem physikalischen Standard IEC 61158-2, der eine Datenübertragungsrate von 31,25 kbit/s zulässt. Die Stromversorgung der Feldgeräte kann dabei über den Datenbus erfolgen. Das HSE-Netzwerk hingegen basiert auf Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzen (100/1000 Mbit/s) und wird für den Aufbau von Automatisierungsnetzwerken auf der Ebene von Steuerungen und Unternehmensmanagementsystemen verwendet.
Die Technologie findet Anwendung beim Aufbau von Automatisierungssystemen für verschiedene industrielle Objekte, hat jedoch die größte Verbreitung in der Öl- und Gasindustrie sowie in der chemischen Industrie gefunden.
Die Möglichkeiten der Technologie
Foundation Fieldbus wurde als Alternative zu herkömmlichen Automatisierungssystemen mit analogen Sensoren entwickelt und bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber der traditionellen Modellierung sowie gegenüber digitalen Systemen wie Profibus oder HART.
Einer der Hauptvorteile ist die hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz der Systeme. H1, was durch zwei Faktoren erreicht wird:
- einen Einsatz von intelligenten Geräten (Sensoren und Aktuatoren) auf Feldebene;
- die Möglichkeit, den Informationsaustausch direkt zwischen den Feldebenen-Geräten ohne Einbeziehung eines Controllers zu organisieren.
Die Intelligenz der Feldgeräte besteht darin, Steuerungs- und Informationsverarbeitungsalgorithmen in das Gerät zu integrieren, die traditionell im Controller implementiert werden. In der Praxis ermöglicht dies dem System, weiterhin zu arbeiten, selbst wenn der Controller ausfällt. Hierfür ist es erforderlich, dass die Feldgeräte entsprechend konfiguriert sind und ein zuverlässiges Stromversorgungssystem für den Feldbus gewährleistet ist.
Die zusätzlichen Vorteile, die sich aus der Digitalisierung des Managementsystems und der Nutzung intelligenter Sensoren ergeben, bestehen darin, dass eine größere Menge an Daten gesammelt werden kann, zusätzlich zu den Messungen von jedem Feldgerät. Dies erweitert letztendlich den Überwachungsbereich des Prozesses, der in traditionellen analogen Systemen durch die Ein- und Ausgangssignalverarbeitung begrenzt ist.
Die Verwendung einer Bus-Topologie im H1-Netzwerk reduziert die Länge der Kabelverbindungen, den Montageaufwand und ermöglicht den Verzicht auf zusätzliche Geräte in Steuerungssystemen: Eingangs- und Ausgangsmodule, Netzteile und in explosionsgefährdeten Bereichen – auf Funken-schutzbarrieren.
H1 erlaubt den Einsatz von 4-20 mA Kommunikationsleitungen für Sensoren, was bei der Modernisierung älterer Steuerungssysteme genutzt werden kann. Aufgrund der Anwendung von Prinzipien der Zündschutztechnik wird die Technologie aktiv in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt. Die Normierung gewährleistet die Austauschbarkeit und Kompatibilität von Geräten verschiedener Hersteller, und dank der Gateways können Feldgerätenetzwerke mit den Netzwerken von industriellen Automatisierungssystemen, die auf Ethernet basieren, verbunden werden.
Die größte Ähnlichkeit von Foundation Fieldbus H1 besteht mit den Profibus PA-Systemen. Beide Technologien basieren auf dem gleichen physikalischen Standard, was bedeutet, dass die Datenübertragungsgeschwindigkeiten, die Manchester-Codierung, die elektrischen Parameter der Kommunikationsleitungen, die übertragbare Leistung sowie die maximal zulässige Kabellänge im Netzsegment (1900 m) identisch sind. In beiden Systemen kann zudem bis zu 4 Repeater eingesetzt werden, wodurch die Segmentlänge bereits 9,5 km erreichen kann. Gemeinsam sind auch die möglichen Netzwerktopologien im Steuerungssystem sowie die Prinzipien der Zündschutztechnik.
Systemkomponenten
Die Hauptbestandteile des Foundation Fieldbus H1 Netzwerks sind:
- ein dezentraler Steuerungssystem-Controller (DCS);
- Stromquellen für das Feldbus;
- Block- oder modulare Kopplungsgeräte;
- Bus-Terminatoren;
- intelligente Feldgeräte.
In dem System können auch Gateway-Geräte (Linking Device), Protokollkonverter, Überspannungsschutzgeräte und Repeater vorhanden sein.
Netzwerktopologie
Ein wichtiges Konzept im H1-Netzwerk ist das Segment. Es stellt eine Hauptkommunikationsleitung (Trunk) dar, von der Abzweigungen (Spur) abgehen, an die die Feldgeräte angeschlossen sind. Das Hauptkabel beginnt an der Stromquelle des Busses und endet in der Regel am letzten Kopplungsgerät. Für die Kommunikation zwischen dem Controller und den Feldgeräten sind vier Topologien zulässig: Punkt-zu-Punkt, Ring, Bus und Baum. Jedes Segment kann sowohl mit einer separaten Topologie als auch mit Kombinationen davon aufgebaut werden.
In einer Punkt-zu-Punkt-Topologie wird jedes Feldgerät direkt mit dem Controller verbunden. Jedes angeschlossene Feldgerät bildet dabei ein eigenes Netzwerksegment. Diese Topologie erweist sich als unpraktisch, da sie der gesamten Systemarchitektur nahezu alle Vorteile des Foundation Fieldbus entzieht. Der Controller benötigt zu viele Schnittstellen, und um die Feldgeräte über den Datenbus mit Strom zu versorgen, muss an jeder Kommunikationslinie eine eigene Energiequelle für den Feldbus vorhanden sein. Die Längen der Kommunikationsleitungen sind zu groß, und der Informationsaustausch zwischen den Geräten erfolgt ausschließlich über den Controller, was die Anwendung des Konzepts der hohen Ausfallsicherheit in H1-Systemen einschränkt.
Die Bus-TOPLOGIE erfordert eine serielle Verbindung der Feldgeräte untereinander. Hier sind alle Feldgeräte in einem Segment vereint, was den Einsatz von geringeren Ressourcen ermöglicht. Allerdings hat diese Topologie auch Nachteile – vor allem müssen Methoden berücksichtigt werden, durch die der Ausfall eines der Zwischensensoren nicht zu einem Abbruch der Verbindung mit den anderen führt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem Fehlen eines Kurzschlussschutzes in der Kommunikationsleitung, wodurch der Informationsaustausch im Segment unmöglich wird.
Die größte Zuverlässigkeit und Praktikabilität bieten zwei andere Netzwerktopologien – die Bus- und die Baumtopologie, die in der Praxis bei der Erstellung von H1-Netzen am weitesten verbreitet sind. Der Kern dieser Topologien besteht darin, Verbindungseinrichtungen zu verwenden, um Feldgeräte an die Hauptkommunikationsleitung anzuschließen. Verbindungseinrichtungen ermöglichen es, jedes Feldgerät an seine eigene Schnittstelle anzuschließen.
Netzwerkparameter
Wichtige Aspekte beim Aufbau eines H1-Netzwerks sind die physikalischen Parameter: Wie viele Feldgeräte können in einem Segment eingesetzt werden, welche maximale Länge kann ein Segment haben und wie lang dürfen Abzweigungen sein? Die Antworten auf diese Fragen hängen von der Art der Stromversorgung und dem Energieverbrauch der Feldgeräte ab, sowie von den Sicherheitsmaßnahmen für explosionsgefährdete Bereiche.
Die maximale Anzahl von Feldgeräten in einem Segment (32) kann nur erreicht werden, wenn sie lokal versorgt werden und keine Maßnahmen zur Gewährleistung der Explosionssicherheit vorhanden sind. Bei der Stromversorgung der Sensoren und Aktoren über den Datenbus kann die maximale Anzahl der Geräte nur 12 oder weniger betragen, abhängig von den Maßnahmen zur Gewährleistung der Explosionssicherheit.
Der Zusammenhang zwischen der Anzahl der Feldgeräte und der Art der Stromversorgung sowie den Sicherheitsmaßnahmen.
Die Länge eines Netzsegments hängt von der Art des verwendeten Kabels ab. Die maximale Länge von 1900 m wird mit Kabeltyp A (geschirmtes Twisted-Pair-Kabel) erreicht. Bei der Verwendung von Kabeltyp D (nicht geschirmtes, mehradriges Kabel) beträgt sie nur 200 m. Mit der Länge des Segments ist die Summe der Längen des Hauptkabels und aller Abzweigungen gemeint.
Die Abhängigkeit der Segmentlänge von der Kabelart.
Die Länge der Abzweigungen hängt von der Anzahl der Geräte im Netzwerksegment ab. So beträgt die maximale Länge 120 m bei bis zu 12 Geräten. Bei 32 Geräten liegt die maximale Länge der Abzweigungen nur bei 1 m. Bei der Verbindung von Feldgeräten reduziert jedes zusätzliche Gerät die Länge der Abzweigung um 30 m.
Die Abhängigkeit der Länge der Abzweigungen vom Hauptkabel und der Anzahl der Feldgeräte im Segment.
All diese Faktoren wirken sich direkt auf die Struktur und Topologie des Systems aus. Um den Prozess der Netzwerkplanung zu beschleunigen, werden spezielle Softwarelösungen eingesetzt, wie DesignMate von der FieldComm Group oder der Fieldbus Network Planner von Phoenix Contact. Diese Programme ermöglichen die Berechnung der physikalischen und elektrischen Parameter des H1-Netzes unter Berücksichtigung aller möglichen Einschränkungen.
Aufgaben der Systemkomponenten
Controller
Die Aufgabe des Controllers besteht darin, die Funktionen des Aktiven Verbindungsplaners (LAS) – das zentrale Gerät, das das Netzwerk durch die Versendung von Steuerinformationen verwaltet – umzusetzen. LAS initiiert den Informationsaustausch zwischen den Netzwerkteilnehmern entweder zu festgelegten (nach Zeitplan) oder unvorhergesehenen Zeiten, führt Diagnosen durch und synchronisiert alle Geräte.
Darüber hinaus ist der Controller für die automatische Adressierung von Feldgeräten verantwortlich und fungiert als Gateway, das eine Ethernet-Schnittstelle für die Kommunikation mit der oberen Hierarchie des Managementsystems auf der Grundlage von Foundation Fieldbus HSE oder einem anderen Kommunikationsprotokoll bereitstellt. Für die oberste Ebene des Systems bietet der Controller Funktionen zur Überwachung und Steuerung seitens des Operators sowie Funktionen zur Fernkonfiguration von Feldgeräten.
In dem Netzwerk können mehrere aktive Verbindungsplaner vorhanden sein, die eine Redundanz für die darin integrierten Funktionen gewährleisten. In modernen Systemen können die Funktionen des LAS in einem Gateway implementiert werden, das als Protokollkonverter für Managementsysteme fungiert, die auf einem anderen Standard als Foundation Fieldbus HSE basieren.
Stromversorgungen der Feldbusse
Das Netzwerkversorgungssystem H1 spielt eine zentrale Rolle, da für den Informationsaustausch im Datenübertragungskabel eine Spannung zwischen 9 und 32 V Gleichstrom aufrechterhalten werden muss. Unabhängig davon, ob die Feldgeräte von der Datenbusleitung oder von lokalen Stromquellen gespeist werden, sind Spannungsquellen für den Bus erforderlich.
Daher ist ihre Hauptaufgabe, die erforderlichen elektrischen Parameter am Bus aufrechtzuerhalten und die an das Netzwerk angeschlossenen Geräte mit Strom zu versorgen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Netzteilen zeichnen sich die Stromversorgungen des Busses durch einen entsprechenden Ausgangsimpedanz in den Datenübertragungsfrequenzen aus. Wenn die H1-Netzwerkanlage direkt mit Netzteilen von 12 oder 24 V versorgt wird, geht das Signal verloren, was einen Informationsaustausch am Bus unmöglich macht.
Reservierte Stromversorgungen für den Feldbus FB-PS (Baugruppe für 4 Segmente).
Angesichts der Bedeutung einer zuverlässigen Stromversorgung des Busses können die Stromquellen jedes Netzwerksegments reserviert werden. Die FB-PS-Stromversorgungen von Phoenix Contact unterstützen die Technologie der automatischen Laststromverteilung (Auto Current Balancing). Diese sorgt für eine gleichmäßige Lastverteilung zwischen den Stromquellen, was sich positiv auf ihre Temperaturentwicklung auswirkt und schließlich zu einer verlängerten Lebensdauer führt.
Das H1-Netzteil befindet sich in der Regel im Steuerungsschrank.
Schnittstellen-Geräte
Schnittstellen-Geräte sind dafür vorgesehen, eine Gruppe von Feldgeräten mit dem Datenbus zu verbinden. Sie werden je nach Funktion in zwei Typen unterteilt: Segment-Schutzmodule (Segment Protectors) und Feldbarrieren (Field Barriers).
Unabhängig vom Typ schützen Verbindungsgeräte das Netzwerk vor Kurzschlüssen und Überlastungen in den Ausgangsleitungen. Bei Auftreten eines Kurzschlusses blockiert das Verbindungsgerät den Schnittstellenport, wodurch verhindert wird, dass sich der Kurzschluss im System ausbreitet und somit der Informationsaustausch zwischen den restlichen Geräten im Netzwerk gewährleistet wird. Nach Beseitigung des kurzgeschlossenen Leitungsports beginnt der zuvor blockierte Kommunikationsport wieder zu funktionieren.
Feldbarrieren bieten zusätzlich galvanische Trennung zwischen nicht explosionsgeschützten Schaltkreisen der Hauptbussysteme und explosionsgeschützten Schaltkreisen der angeschlossenen Feldgeräte (Abzweigungen).
Physisch gibt es Verbindungsgeräte ebenfalls in zwei Ausführungen – als Block- und Modulare Bauweise. Blockverbindungsgeräte vom Typ FB-12SP mit Segmentenschutzfunktion ermöglichen die Verwendung von explosionsgeschützten Schaltkreisen IC zur Anbindung von Feldgeräten in Zone 2, während die Feldbarrieren FB-12SP ISO den Anschluss von Geräten in Zone 1 und 0 mittels explosionsgeschützter Schaltungen IA ermöglichen.
Verbindungsgeräte FB-12SP und FB-6SP von Phoenix Contact.
Ein Vorteil modularer Geräte ist die Möglichkeit, das System anhand der benötigten Anzahl von Kanälen für den Anschluss von Feldeinheiten zu skalieren. Darüber hinaus ermöglichen modulare Geräte die Schaffung flexibler Strukturen. In einem Verteilungsschrank können Schutzmodule und Feldbarrieren kombiniert werden, sodass beispielsweise von einem Schrank aus Feldeinheiten in verschiedenen Explosionsbereichen angeschlossen werden können. Auf eine Busleitung können bis zu 12 zwei-kanalige FB-2SP-Module oder ein-kanalige Barrieremodule FB-ISO installiert werden, sodass von einem Schrank aus bis zu 24 Feldeinheiten in Zone 2 oder bis zu 12 Sensoren in Zone 1 oder 0 angeschlossen werden können.
Schnittstellengeräte können in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden und sind in explosionsgeschützten Gehäusen Ex e, Ex d mit einem Schutzgrad von mindestens IP54 installiert, auch in unmittelbarer Nähe des Steuerobjekts.
Geräte zum Schutz vor Überspannungen
Die Netzwerke der Feldstufe H1 können sehr lange Segmente bilden, und die Verbindungslinien können sich an Stellen befinden, wo es zu impulsartigen Spannungstransienten kommen kann. Unter impulsartigen Spannungstransienten versteht man die induzierte Potentialdifferenz, die durch Blitzeinschläge oder Kurzschlüsse in nahegelegenen Kabelleitungen verursacht wird. Die induzierte Spannung, die im Bereich von einigen Kilovolt liegt, führt zu Entladungströmen in der Größenordnung von Kiloampere. All diese Phänomene treten innerhalb von Mikrosekunden auf, können jedoch dazu führen, dass Komponenten des H1-Netzwerks ausfallen. Zum Schutz der Geräte vor solchen Phänomenen ist die Verwendung von Überspannungsschutzgeräten (ÜS) erforderlich. Der Einsatz von ÜS anstelle herkömmlicher Durchgangsklemmen gewährleistet eine zuverlässige und sichere Arbeitsweise des Systems unter widrigen Bedingungen.
Das Prinzip seiner Funktionsweise beruht auf der Nutzung einer quasi-kurzgeschlossenen Verbindung im Nanosekundenbereich, um Entladungströme in einem Schaltkreis zu leiten, in dem Elemente verwendet werden, die in der Lage sind, solche Stromstärken zu withstanden.
Es gibt viele verschiedene Arten von Überspannungsschutzgeräten: von ein- und zweikanaligen über Modelle mit wechselbaren Steckern bis hin zu verschiedenen Diagnosetypen – wie zum Beispiel Blinkern oder trockenen Kontakten. Die modernen Diagnosemittel von Phoenix Contact ermöglichen die Überwachung von Überspannungsschutzgeräten mithilfe digitaler Dienste auf Ethernet-Basis. Im Werk des Unternehmens in Russland werden Geräte hergestellt, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen zertifiziert sind, einschließlich in Systemen des Foundation Fieldbus.
Bus-Terminierung
Der Terminator erfüllt im Netzwerk zwei Funktionen: Er schaltet den Strom der Feldbusleitung, der aufgrund der Modulation des Signals entsteht, kurz und verhindert die Reflexion des Signals an den Enden der Busleitung. Dadurch werden Störungen und Jitter (Phasenflattern des digitalen Signals) vermieden. So hilft der Terminator, ungenaue Daten im Netzwerk oder sogar vollständigen Datenverlust zu verhindern.
In jedem H1-Netzsegment müssen an beiden Enden zwei Terminatoren vorhanden sein. Die Stromversorgungen der Busse und die Verbindungseinheiten von Phoenix Contact sind mit abnehmbaren Terminatoren ausgestattet. Das Vorhandensein überflüssiger Terminatoren im Netzwerk, beispielsweise aufgrund eines Fehlers, kann das Signalniveau in der Schnittstelle erheblich verringern.
Datenkommunikation zwischen Segmenten
Der Datenaustausch zwischen Feldgeräten ist nicht auf ein einzelnes Segment beschränkt, sondern kann zwischen verschiedenen Teilen des Netzwerks stattfinden, die über einen Controller oder das Unternehmensnetzwerk auf Ethernet-Basis verbunden sind. Hierbei kann das Protokoll Foundation Fieldbus HSE oder ein gängigeres Protokoll wie Modbus TCP verwendet werden.
Beim Aufbau eines HSE-Netzwerks werden Industrie-Switches eingesetzt. Das Protokoll ermöglicht ringförmige Redundanz. Dabei ist zu beachten, dass in einer Ringtopologie die Switches eines der Redundanzprotokolle (RSTP, MRP oder Extended Ring Redundancy) verwenden müssen, abhängig von der Größe und der erforderlichen Zeit für die Netzwerkkonvergenz bei Störungen der Kommunikationskanäle.
Die Integration von HSE-basierten Systemen mit externen Systemen ist mithilfe der OPC-Technologie möglich.
Methoden zur Gewährleistung der Explosionssicherheit
Um ein explosionsgeschütztes System zu schaffen, reichen die Merkmale der Explosionssicherheit der Geräte und die Auswahl des richtigen Standorts nicht aus. Jedes Gerät in einem solchen System arbeitet nicht isoliert, sondern innerhalb eines gemeinsamen Netzwerks. In Netzwerken wie Foundation Fieldbus H1 ist der Informationsaustausch zwischen Geräten, die sich in verschiedenen explosionsgefährdeten Bereichen befinden, nicht nur auf die Datenübertragung beschränkt, sondern umfasst auch die Übertragung elektrischer Energie. Die Energiemenge, die in einem Bereich zulässig ist, kann in einem anderen unzulässig sein. Daher wird zur Bewertung der Explosionssicherheit von Feldnetzen und zur Auswahl der optimalen Sicherheitsmethoden ein systemischer Ansatz verwendet. Unter diesen Methoden haben sich insbesondere die Methoden zur Gewährleistung der Funkenfreiheit weit verbreitet.
Bei Feldbussen gibt es derzeit mehrere Möglichkeiten zur Gewährleistung der Explosionssicherheit: die traditionelle Methode der Funkenabschirmung, das FISCO-Konzept und die High Power Trunk (HPT)-Technologie.
Die erste Methode basiert auf der Verwendung von Barrieren zur Funkenabschirmung und setzt ein bewährtes Konzept um, das in Steuerungssystemen mit analogen Signalen von 4-20 mA verwendet wird. Dieser Ansatz ist einfach und zuverlässig, schränkt jedoch die Stromversorgung von Feldgeräten in explosionsgefährdeten Zonen 0 und 1 auf 80 mA ein. In diesem Fall könnte optimistisch geschätzt werden, dass nicht mehr als 4 Feldgeräte mit einem Verbrauch von 20 mA an einem Segment angeschlossen werden können, jedoch in der Praxis nicht mehr als 2. In diesem Fall verliert das System alle Vorteile, die im Foundation Fieldbus bestehen, und führt faktisch zu einer Punkt-zu-Punkt-Topologie, bei der für die Anbindung einer Vielzahl von Feldgeräten das System in mehrere Segmente aufgeteilt werden muss. Zudem begrenzt diese Methode erheblich die Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen.
Das FISCO-Konzept wurde vom "Deutschen Institut für Normung" entwickelt und fand später Eingang in die IEC-Standards sowie in die GOST. Um die Funkenfreiheit des Feldnetzes zu gewährleisten, sieht das Konzept die Verwendung von Komponenten vor, die bestimmten Einschränkungen genügen. Solche Beschränkungen werden für Netzteile hinsichtlich der Ausgangsleistung, für Feldgeräte bezüglich des Stromverbrauchs und der Induktivität sowie für Kabel in Bezug auf Widerstand, Kapazität und Induktivität festgelegt. Diese Einschränkungen sind damit verbunden, dass kapazitive und induktive Elemente Energie speichern können, die im Notfall, falls ein Element des Systems beschädigt wird, freigesetzt werden könnte und somit einen Funkenüberschlag verursachen kann. Darüber hinaus verbietet das Konzept die Verwendung von Redundanz im Bussystem.
FISCO bietet eine erhebliche Stromstärke zur Versorgung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen, die die Methode der Feldbarrieren übertrifft. Hier sind 115 mA verfügbar, was zur Versorgung von 4-5 Geräten im Segment genutzt werden kann. Allerdings gibt es auch Einschränkungen bezüglich der Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen.
Die High Power Trunk-Technologie ist derzeit die am weitesten verbreitete Methode zur Gewährleistung der Funkenfreiheit in Foundation Fieldbus-Netzwerken, da sie die Nachteile überwindet, die in durch Barrieren geschützten Netzwerken oder Netzwerken, die gemäß FISCO aufgebaut sind, bestehen. Mit der Verwendung von HPT ist es möglich, die maximale Anzahl von Feldgeräten im Netzwerksegment zu erreichen.
Die Technologie schränkt elektrische Parameter des Netzwerks dort nicht ein, wo dies nicht erforderlich ist, zum Beispiel auf Hauptkommunikationsleitungen, wo keine Wartung oder Austausch von Geräten nötig ist. Für die Verbindung von Feldgeräten, die sich in explosionsgefährdeten Bereichen befinden, werden Kopplungsgeräte mit der Funktionalität von Feldbarrieren eingesetzt, die elektrische Parameter des Netzwerks für die Stromversorgung von Sensoren begrenzen und sich direkt neben dem Steuerobjekt befinden. In diesem Fall wird entlang des gesamten Segments der explosionsgeschützte Typ Ex e (erhöhte Sicherheit) verwendet.
Quelle: habr.com
