Foundation Fieldbus ist ein digitales Kommunikationssystem, das in der Automatisierung zusammen mit Profibus, Modbus oder HART eingesetzt wird. Die Technologie erschien etwas später als ihre Konkurrenten: Die erste Ausgabe des Standards stammt aus dem Jahr 1996 und umfasst derzeit zwei Protokolle für den Informationsaustausch zwischen Netzwerkteilnehmern – H1 und HSE (High Speed Ethernet).
Für den Informationsaustausch auf Sensor- und Steuerungsebene wird das H1-Protokoll verwendet, dessen Netzwerk auf dem Physical-Layer-Standard IEC 61158-2 basiert und eine Datenübertragungsrate von 31,25 kbit/s ermöglicht. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, Feldgeräte über den Datenbus mit Strom zu versorgen. Das HSE-Netzwerk basiert auf Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerken (100/1000 Mbit/s) und dient dem Aufbau eines automatisierten Prozessleitsystemnetzwerks auf der Ebene von Controllern und Unternehmensmanagementsystemen.
Die Technologie ist beim Aufbau automatisierter Prozessleitsysteme für beliebige Industrieanlagen anwendbar, am weitesten verbreitet ist sie jedoch bei Unternehmen der Öl- und Gasindustrie sowie der chemischen Industrie.
Technologiefähigkeiten
Foundation Fieldbus wurde als Alternative zum traditionellen Modell automatisierter Steuerungssysteme auf Basis analoger Sensoren entwickelt und bietet eine Reihe von Vorteilen sowohl gegenüber dem traditionellen Modell als auch gegenüber digitalen Systemen auf Profibus- oder HART-Basis.
Einer der Hauptvorteile ist die hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz der Systeme H1, das aufgrund zweier Faktoren erreicht wird:
- Einsatz intelligenter Geräte (Sensoren und Aktoren) auf der Feldebene;
- die Möglichkeit, den Informationsaustausch direkt zwischen Geräten auf Feldebene ohne Beteiligung eines Controllers zu organisieren.
Die Intelligenz von Feldgeräten liegt in der Fähigkeit, Steuerungs- und Informationsverarbeitungsalgorithmen zu implementieren, die traditionell in der Steuerung implementiert sind. In der Praxis ermöglicht dies den Weiterbetrieb des Systems auch bei Ausfall der Steuerung. Dies setzt eine entsprechende Konfiguration der Feldgeräte und eine zuverlässige Feldbus-Stromversorgung voraus.
Zu den weiteren Vorteilen, die sich aus der Digitalisierung des Steuerungssystems und dem Einsatz intelligenter Sensoren ergeben, gehört die Möglichkeit, mehr Daten über die Messung hinaus von jedem Feldgerät zu erhalten, wodurch letztendlich der Umfang der Prozessüberwachung erweitert wird, der in herkömmlichen analogen Systemen auf das Signaleingangs-/-ausgangssystem beschränkt ist . .
Die Verwendung der Bustopologie im H1-Netzwerk ermöglicht es, die Länge der Kabelleitungen und den Installationsaufwand zu reduzieren und den Einsatz zusätzlicher Geräte in Steuerungssystemen zu eliminieren: Ein-/Ausgabemodule, Netzteile und in explosionsgefährdeten Bereichen – Funkenschutzbarrieren.
Der H1 ermöglicht die Verwendung von 4-20-mA-Sensorkommunikationskabeln, die bei der Aufrüstung älterer Steuerungssysteme verwendet werden können. Dank der Verwendung von Eigensicherheitsprinzipien wird die Technologie aktiv in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt. Die Standardisierung selbst garantiert die Austauschbarkeit und Kompatibilität von Geräten verschiedener Hersteller, und dank Gateway-Geräten ist es möglich, ein Netzwerk von Feldgeräten und ein auf Ethernet basierendes industrielles Steuerungssystemnetzwerk von Unternehmen zu verbinden.
Foundation Fieldbus H1 ist Profibus PA-Systemen am ähnlichsten. Beide Technologien basieren auf dem gleichen Standard der physikalischen Schicht, daher verfügen diese Systeme über die gleichen Datenübertragungsraten, die Verwendung der Manchester-Kodierung, die gleichen elektrischen Parameter der Kommunikationsleitung, die Menge der möglichen übertragenen Leistung und die maximal zulässige Kabellänge in einem Netzwerk Segment (1900 m). Außerdem ist in beiden Systemen der Einsatz von bis zu 4 Repeatern möglich, wodurch die Segmentlänge bereits 9,5 km erreichen kann. Mögliche Netzwerktopologien im Steuerungssystem sowie Grundsätze zur Gewährleistung der Eigensicherheit sind üblich.
Systemkomponenten
Die Hauptelemente des Foundation Fieldbus H1-Netzwerks sind:
- Controller für dezentrale Steuerungssysteme (DCS);
- Feldbus-Netzteile;
- Block- oder modulare Schnittstellengeräte;
- Busabschlusswiderstände;
- Intelligente Feldgeräte.
Das System kann auch Gateway-Geräte (Linking Device), Protokollkonverter, SPDs und Repeater enthalten.
Netzwerktopologie
Ein wichtiges Konzept im H1-Netzwerk ist das Segmentkonzept. Es handelt sich um eine Hauptkommunikationsleitung (Trunk) mit davon ausgehenden Zweigen (Spur), an die Feldgeräte angeschlossen sind. Das Stammkabel beginnt an der Busstromquelle und endet normalerweise am letzten Schnittstellengerät. Für die Kommunikation zwischen der Steuerung und den Feldgeräten sind vier Topologietypen zulässig: Punkt-zu-Punkt, Schleife, Bus und Baum. Jedes Segment kann entweder mit einer separaten Topologie oder mit Kombinationen daraus aufgebaut werden.
Bei einer Punkt-zu-Punkt-Topologie ist jedes Feldgerät direkt mit der Steuerung verbunden. Dabei bildet jedes angeschlossene Feldgerät ein eigenes Netzwerksegment. Diese Topologie ist unpraktisch, da sie dem System fast alle Vorteile von Foundation Fieldbus vorenthält. Es gibt zu viele Schnittstellen am Controller und um Feldgeräte über den Datenbus mit Strom zu versorgen, muss jede Kommunikationsleitung über eine eigene Feldbus-Stromversorgung verfügen. Die Länge der Kommunikationsleitungen erweist sich als zu lang und der Informationsaustausch zwischen Geräten erfolgt nur über die Steuerung, was die Nutzung des Prinzips der hohen Fehlertoleranz von H1-Systemen nicht zulässt.
Die Ringtopologie impliziert eine serielle Verbindung von Feldgeräten untereinander. Dabei werden alle Feldgeräte in einem Segment zusammengefasst, was einen geringeren Ressourceneinsatz ermöglicht. Allerdings hat diese Topologie auch Nachteile – zunächst müssen Methoden bereitgestellt werden, bei denen der Ausfall eines der Zwischensensoren nicht zu einem Verlust der Kommunikation mit den anderen führt. Ein weiterer Nachteil erklärt sich aus dem fehlenden Schutz gegen einen Kurzschluss in der Kommunikationsleitung, wodurch ein Informationsaustausch im Segment unmöglich wird.
Zwei weitere Netzwerktopologien weisen die größte Zuverlässigkeit und Praktikabilität auf – die Bus- und Baumtopologie, die in der Praxis beim Aufbau von H1-Netzwerken am weitesten verbreitet sind. Die Idee hinter diesen Topologien besteht darin, über Schnittstellengeräte Feldgeräte mit dem Backbone zu verbinden. Koppelgeräte ermöglichen den Anschluss jedes Feldgeräts an eine eigene Schnittstelle.
Параметры сети
Wichtige Fragen beim Aufbau eines H1-Netzwerks sind seine physikalischen Parameter – wie viele Feldgeräte können in einem Segment verwendet werden, wie groß ist die maximale Länge eines Segments, wie lang dürfen die Zweige sein. Die Antwort auf diese Fragen hängt von der Art der Stromversorgung und dem Energieverbrauch der Feldgeräte sowie bei explosionsgefährdeten Bereichen von den Methoden zur Gewährleistung der Eigensicherheit ab.
Die maximale Anzahl an Feldgeräten in einem Segment (32) kann nur erreicht werden, wenn diese aus lokalen Quellen vor Ort versorgt werden und keine Eigensicherheit vorhanden ist. Bei der Stromversorgung von Sensoren und Aktoren über den Datenbus darf die maximale Anzahl der Geräte je nach Eigensicherheitsmethoden nur 12 oder weniger betragen.
Abhängigkeit der Anzahl der Feldgeräte von der Art der Stromversorgung und Methoden zur Gewährleistung der Eigensicherheit.
Die Länge des Netzwerksegments wird durch den verwendeten Kabeltyp bestimmt. Die maximale Länge von 1900 m wird bei Verwendung von Kabel vom Typ A (Twisted Pair mit Schirm) erreicht. Bei Verwendung von Kabeltyp D (nicht verdrilltes Mehrleiterkabel mit gemeinsamer Abschirmung) nur 200 m. Unter der Länge eines Segments versteht man die Summe der Längen des Hauptkabels und aller Abzweige davon.
Abhängigkeit der Segmentlänge vom Kabeltyp.
Die Länge der Zweige hängt von der Anzahl der Geräte im Netzwerksegment ab. Bei einer Geräteanzahl von bis zu 12 sind dies also maximal 120 m. Bei der Verwendung von 32 Geräten in einem Segment beträgt die maximale Länge der Abzweige nur 1 m. Bei der Verbindung von Feldgeräten mit einer Schleife jedes weitere Gerät reduziert die Länge der Abzweigung um 30 m.
Abhängigkeit der Abzweiglänge vom Hauptkabel von der Anzahl der Feldgeräte im Segment.
Alle diese Faktoren wirken sich direkt auf die Struktur und Topologie des Systems aus. Um den Netzwerkdesignprozess zu beschleunigen, werden spezielle Softwarepakete verwendet, beispielsweise DesignMate von der FieldComm Group oder Fieldbus Network Planner von Phoenix Contact. Mit den Programmen können Sie die physikalischen und elektrischen Parameter des H1-Netzwerks unter Berücksichtigung aller möglichen Einschränkungen berechnen.
Zweck der Systemkomponenten
Controller
Die Aufgabe des Controllers besteht darin, die Funktionen des Link Active Scheduler (LAS) zu implementieren, dem Hauptgerät, das das Netzwerk durch das Senden von Servicenachrichten verwaltet. LAS initiiert den Informationsaustausch zwischen Netzwerkteilnehmern mit geplanten (geplanten) oder außerplanmäßigen Nachrichten, diagnostiziert und synchronisiert alle Geräte.
Darüber hinaus ist der Controller für die automatische Adressierung von Feldgeräten verantwortlich und fungiert als Gateway-Gerät, das eine Ethernet-Schnittstelle für die Kommunikation mit der oberen Ebene des Steuerungssystems auf Basis von Foundation Fieldbus HSE oder einem anderen Kommunikationsprotokoll bereitstellt. Auf der obersten Ebene des Systems stellt der Controller Bedienüberwachungs- und Steuerungsfunktionen sowie Funktionen zur Fernkonfiguration von Feldgeräten bereit.
Im Netzwerk können mehrere Active Link Scheduler vorhanden sein, die die Redundanz der darin eingebetteten Funktionen gewährleisten. In modernen Systemen können LAS-Funktionen in einem Gateway-Gerät implementiert werden, das als Protokollkonverter für Steuerungssysteme fungiert, die auf einem anderen Standard als Foundation Fieldbus HSE basieren.
Feldbus-Stromversorgungen
Dem Stromversorgungssystem im H1-Netzwerk kommt eine Schlüsselrolle zu, denn damit der Datenaustausch möglich ist, muss die Spannung im Datenkabel im Bereich von 9 bis 32 V DC gehalten werden. Unabhängig davon, ob Feldgeräte über den Datenbus oder über Feldnetzteile mit Strom versorgt werden, benötigt das Netzwerk Bus-Stromversorgungen.
Daher besteht ihr Hauptzweck darin, die erforderlichen elektrischen Parameter am Bus aufrechtzuerhalten und die an das Netzwerk angeschlossenen Geräte mit Strom zu versorgen. Bus-Stromversorgungen unterscheiden sich von herkömmlichen Stromversorgungen dadurch, dass sie bei Datenübertragungsfrequenzen eine entsprechende Ausgangskreisimpedanz aufweisen. Wenn Sie das H1-Netzwerk direkt mit 12- oder 24-V-Netzteilen versorgen, geht das Signal verloren und ein Informationsaustausch auf dem Bus ist nicht möglich.
Redundante Feldbus-Stromversorgungen FB-PS (Aufbau für 4 Segmente).
Angesichts der Bedeutung der Bereitstellung einer zuverlässigen Busstromversorgung können die Stromversorgungen für jedes Netzwerksegment redundant sein. Die FB-PS-Netzteile von Phoenix Contact unterstützen die Auto Current Balancing-Technologie. ASV sorgt für eine symmetrische Belastung zwischen Stromquellen, was sich positiv auf deren Temperaturverhältnisse auswirkt und letztendlich zu einer Verlängerung ihrer Lebensdauer führt.
Das H1-Stromversorgungssystem befindet sich typischerweise im Steuerungsschrank.
Schnittstellengeräte
Koppelgeräte dienen dazu, eine Gruppe von Feldgeräten an den Hauptdatenbus anzuschließen. Basierend auf ihren Funktionen werden sie in zwei Typen unterteilt: Segmentschutzmodule (Segment Protectors) und Feldbarrieren (Field Barriers).
Unabhängig vom Typ schützen Schnittstellengeräte das Netzwerk vor Kurzschlüssen und Überströmen in abgehenden Leitungen. Bei einem Kurzschluss blockiert das Schnittstellengerät den Schnittstellenport, verhindert so die Ausbreitung des Kurzschlusses im gesamten System und gewährleistet so den Informationsaustausch zwischen anderen Netzwerkgeräten. Nach Beseitigung des Kurzschlusses auf der Leitung funktioniert der zuvor blockierte Kommunikationsport wieder.
Feldbarrieren sorgen zusätzlich für eine galvanische Trennung zwischen nichteigensicheren Stromkreisen des Hauptbusses und eigensicheren Stromkreisen angeschlossener Feldgeräte (Abzweige).
Physikalisch gesehen gibt es auch zwei Arten von Schnittstellengeräten: Block- und Modulgeräte. Blockschnittstellengeräte vom Typ FB-12SP mit Segmentschutzfunktionalität ermöglichen den Einsatz eigensicherer IC-Schaltkreise zum Anschluss von Feldgeräten in Zone 2 und FB-12SP ISO-Feldbarrieren ermöglichen den Anschluss von Geräten in den Zonen 1 und 0 mittels eigensicherem IA Schaltkreise.
FB-12SP- und FB-6SP-Koppler von Phoenix Contact.
Einer der Vorteile modularer Geräte ist die Möglichkeit, das System durch Auswahl der Anzahl der Kanäle zu skalieren, die zum Anschluss von Feldgeräten erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglichen modulare Geräte die Schaffung flexibler Strukturen. In einem Verteilerschrank ist es möglich, Segmentschutzmodule und Feldbarrieren zu kombinieren, also Feldgeräte, die sich in verschiedenen explosionsgefährdeten Zonen befinden, von einem Schrank aus anzuschließen. Insgesamt können bis zu 12 zweikanalige FB-2SP-Module oder einkanalige FB-ISO-Barrieremodule an einem Bus installiert werden und so von einem Schrank aus 24 Feldgeräte in Zone 2 oder bis zu 12 Sensoren in Zone 1 oder angeschlossen werden 0.
Schnittstellengeräte können in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden und werden in explosionsgeschützten Gehäusen Ex e, Ex d mit einem Staub- und Feuchtigkeitsschutz von mindestens IP54, auch möglichst nahe am Steuerobjekt, eingebaut.
Überspannungsschutzgeräte
H1-Netzwerke auf Feldebene können sehr lange Segmente bilden und Kommunikationsleitungen können an Orten verlaufen, an denen Überspannungen möglich sind. Unter Impulsüberspannungen versteht man induzierte Potenzialunterschiede, die durch Blitzentladungen oder Kurzschlüsse in benachbarten Kabelleitungen entstehen. Die induzierte Spannung, deren Größe in der Größenordnung von mehreren Kilovolt liegt, verursacht den Fluss von Entladeströmen von Kiloampere. Alle diese Phänomene treten innerhalb von Mikrosekunden auf, können jedoch zum Ausfall von H1-Netzwerkkomponenten führen. Um Geräte vor solchen Phänomenen zu schützen, ist der Einsatz eines SPD erforderlich. Der Einsatz von SPDs anstelle herkömmlicher Durchgangsklemmen gewährleistet einen zuverlässigen und sicheren Betrieb der Anlage unter widrigen Bedingungen.
Das Funktionsprinzip basiert auf der Nutzung eines Quasi-Kurzschlusses im Nanosekundenbereich für den Fluss von Entladeströmen in einem Stromkreis, der Elemente verwendet, die dem Fluss von Strömen dieser Größenordnung standhalten können.
Es gibt eine Vielzahl von SPD-Typen: einkanalig, zweikanalig, mit austauschbaren Steckern, mit verschiedenen Diagnosearten – in Form eines Blinkers, Trockenkontakt. Modernste Diagnosetools von Phoenix Contact ermöglichen Ihnen die Überwachung von Überspannungsschutzgeräten mithilfe ethernetbasierter digitaler Dienste. Das Werk des Unternehmens in Russland produziert Geräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen zertifiziert sind, darunter Foundation Fieldbus-Systeme.
Busabschluss
Der Abschlusswiderstand erfüllt im Netzwerk zwei Funktionen: Er leitet den Feldbusstrom um, der durch die Signalmodulation entsteht, und verhindert, dass das Signal von den Enden der Hauptleitung reflektiert wird, wodurch das Auftreten von Rauschen und Jitter (Phasenjitter) verhindert wird des digitalen Signals). Somit können Sie mit dem Terminator das Auftreten ungenauer Daten im Netzwerk oder den gesamten Datenverlust vermeiden.
Jedes Segment des H1-Netzwerks muss an jedem Ende des Segments über zwei Abschlusswiderstände verfügen. Busstromversorgungen und -koppler von Phoenix Contact sind mit schaltbaren Abschlusswiderständen ausgestattet. Das Vorhandensein zusätzlicher Abschlusswiderstände im Netzwerk, beispielsweise aufgrund eines Fehlers, führt zu einer erheblichen Reduzierung des Signalpegels in der Schnittstellenleitung.
Informationsaustausch zwischen Segmenten
Der Informationsaustausch zwischen Feldgeräten ist nicht auf ein Segment beschränkt, sondern ist zwischen verschiedenen Netzwerkabschnitten möglich, die über eine Steuerung oder ein Ethernet-basiertes Anlagennetzwerk verbunden sein können. In diesem Fall kann das Foundation Fieldbus HSE-Protokoll oder ein gängigeres Protokoll, beispielsweise Modbus TCP, verwendet werden.
Beim Aufbau eines HSE-Netzwerks kommen industrietaugliche Switches zum Einsatz. Das Protokoll ermöglicht Ringredundanz. In diesem Fall ist zu beachten, dass Switches in einer Ringtopologie je nach Größe und erforderlicher Netzwerkkonvergenzzeit bei unterbrochenen Kommunikationskanälen eines der Redundanzprotokolle (RSTP, MRP oder Extended Ring Redundancy) verwenden müssen.
Mithilfe der OPC-Technologie ist die Integration von HSE-basierten Systemen mit Drittsystemen möglich.
Explosionssichere Methoden
Um ein explosionsgeschütztes System zu schaffen, reicht es nicht aus, sich nur von den explosionsgeschützten Eigenschaften der Ausrüstung und der Wahl des richtigen Standorts auf der Baustelle zu leiten. Innerhalb des Systems funktioniert nicht jedes Gerät einzeln, sondern innerhalb eines einzigen Netzwerks. In Foundation Fieldbus H1-Netzwerken umfasst der Informationsaustausch zwischen Geräten, die sich in verschiedenen Gefahrenbereichen befinden, nicht nur die Übertragung von Daten, sondern auch die Übertragung elektrischer Energie. Die Energiemenge, die in einer Zone akzeptabel war, ist in einer anderen möglicherweise nicht akzeptabel. Um die Explosionssicherheit von Feldnetzen zu beurteilen und die optimale Methode zu ihrer Gewährleistung auszuwählen, wird daher ein systematischer Ansatz verwendet. Unter diesen Methoden sind Methoden zur Gewährleistung der Eigensicherheit am weitesten verbreitet.
Bei Feldbussen gibt es derzeit mehrere Möglichkeiten, Eigensicherheit zu erreichen: die traditionelle IS-Barriere-Methode, das FISCO-Konzept und die High Power Trunk Technology (HPT).
Die erste basiert auf der Verwendung von IS-Barrieren und implementiert ein bewährtes Konzept, das in Steuerungssystemen auf Basis von 4-20-mA-Analogsignalen verwendet wird. Diese Methode ist einfach und zuverlässig, begrenzt jedoch die Stromversorgung von Feldgeräten in den explosionsgefährdeten Zonen 0 und 1 auf 80 mA. In diesem Fall können einer optimistischen Prognose zufolge nicht mehr als 4 Feldgeräte pro Segment mit einem Verbrauch von 20 mA angeschlossen werden, in der Praxis jedoch nicht mehr als 2. In diesem Fall verliert das System alle vorhandenen Vorteile in Foundation Fieldbus und führt tatsächlich zu einer Punkt-zu-Punkt-Topologie, bei der zum Anschluss einer großen Anzahl von Feldgeräten das System in viele Segmente unterteilt werden muss. Diese Methode begrenzt auch die Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen erheblich.
Das FISCO-Konzept wurde vom „Nationalen Metrologischen Institut Deutschlands“ entwickelt und später in die IEC-Normen und dann in GOST übernommen. Um die Eigensicherheit des Feldnetzwerks zu gewährleisten, sieht das Konzept den Einsatz von Komponenten vor, die bestimmte Einschränkungen erfüllen. Ähnliche Einschränkungen werden für Stromversorgungen hinsichtlich der Ausgangsleistung, für Feldgeräte hinsichtlich Stromverbrauch und Induktivität, für Kabel hinsichtlich Widerstand, Kapazität und Induktivität formuliert. Solche Einschränkungen sind darauf zurückzuführen, dass kapazitive und induktive Elemente Energie ansammeln können, die im Notfallmodus bei Beschädigung eines Elements des Systems freigesetzt werden und eine Funkenentladung verursachen kann. Darüber hinaus verbietet das Konzept den Einsatz von Redundanz im Bus-Stromversorgungssystem.
FISCO bietet im Vergleich zur Feldbarrierenmethode einen höheren Strom für die Stromversorgung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen. Hier stehen 115 mA zur Verfügung, mit denen 4-5 Geräte im Segment versorgt werden können. Allerdings gibt es auch Einschränkungen hinsichtlich der Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen.
Die High Power Trunk-Technologie ist derzeit die am weitesten verbreitete Eigensicherheitstechnologie in Foundation Fieldbus-Netzwerken, da sie nicht die Nachteile aufweist, die in barrieregeschützten oder FISCO-Netzwerken bestehen. Durch den Einsatz von HPT ist es möglich, die Grenze der Feldgeräte in einem Netzwerksegment zu erreichen.
Die Technologie schränkt die elektrischen Parameter des Netzwerks nicht ein, wenn dies nicht erforderlich ist, beispielsweise auf einer Backbone-Kommunikationsleitung, wo keine Wartung und kein Austausch von Geräten erforderlich ist. Zur Anbindung von Feldgeräten, die sich in einer explosionsgefährdeten Zone befinden, werden Schnittstellengeräte mit der Funktionalität von Feldbarrieren verwendet, die die elektrischen Parameter des Netzwerks zur Stromversorgung der Sensoren begrenzen und sich direkt neben dem Steuerungsobjekt befinden. Dabei kommt im gesamten Segment die Art der Explosionsschutzart Ex e (erhöhter Schutz) zum Einsatz.
Source: habr.com