Foundation Fieldbus ist ein digitales Kommunikationssystem, das in der Automatisierung eingesetzt wird, neben solchen wie Profibus, Modbus oder HART. Die Technologie entstand etwas später als ihre Wettbewerber: Die erste Fassung des Standards datiert auf das Jahr 1996 und umfasst derzeit zwei Protokolle für den Informationsaustausch zwischen den Netzwerkteilnehmern – H1 und HSE (High Speed Ethernet).
Das H1-Protokoll wird für den Informationsaustausch auf der Ebene von Sensoren und Controllern verwendet, und sein Netzwerk basiert auf dem physikalischen Standards IEC 61158-2, das eine Datenübertragungsrate von 31,25 kbit/s zulässt. Dabei kann die Stromversorgung der Feldgeräte über die Datenübertragungsbusse erfolgen. Das HSE-Netzwerk basiert auf Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerken (100/1000 Mbit/s) und wird zur Einrichtung von SCADA-Systemen auf der Ebene der Controller und der Unternehmensführungssysteme verwendet.
Die Technologie ist anwendbar beim Aufbau von SCADA-Systemen für alle industriellen Objekte, hat jedoch die größte Verbreitung in Unternehmen der Öl- und Gasindustrie sowie der chemischen Industrie gefunden.
Möglichkeiten der Technologie
Foundation Fieldbus wurde als Alternative zu traditionellen Modellen von automatisierten Steuerungssystemen auf Basis analoger Sensoren entwickelt und bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem traditionellen Modell sowie digitalen Systemen wie Profibus oder HART.
Einer der Hauptvorteile liegt in der hohen Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Systeme. H1, die durch zwei Faktoren erreicht wird:
- der Verwendung von intelligenten Geräten (Sensoren und Aktoren) auf der Feldebene;
- der Möglichkeit, den Informationsaustausch direkt zwischen den Geräten der Feldebene ohne Beteiligung eines Controllers zu organisieren.
Die Intelligenz der Feldgeräte besteht in der Möglichkeit, Steuerungs- und Informationsverarbeitungsalgorithmen zu integrieren, die traditionell im Controller realisiert werden. In der Praxis ermöglicht dies dem System, weiterhin zu funktionieren, selbst wenn der Controller ausfällt. Dazu 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 dem Einsatz intelligenter Sensoren ergeben, liegen in der Möglichkeit, neben den Messungen eine größere Datenmenge von jedem Feldgerät zu erhalten, was letztendlich den Beobachtungsbereich des Prozesses erweitert, der in traditionellen analogen Systemen durch die Ein- und Ausgangssignale begrenzt ist.
Die Verwendung einer Bussystemtopologie im H1-Netzwerk ermöglicht eine Verkürzung der Kabellängen, verringert den Montageaufwand und macht es überflüssig, zusätzliches Equipment in den Steuerungssystemen wie Ein- und Ausgangsmodule, Stromversorgungen und in explosionsgefährdeten Bereichen - Überspannungsschutzbarrieren - zu verwenden.
H1 erlaubt die Verwendung von Kommunikationskabeln mit 4-20 mA Sensoren, was bei der Modernisierung alter Steuerungssysteme nützlich sein kann. Dank der Anwendung von Prinzipien der Zündsicherheit wird die Technologie aktiv in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt. Die Standardisierung garantiert die Austauschbarkeit und Kompatibilität von Geräten verschiedener Hersteller, und dank der Gateway-Geräte ist es möglich, das Netzwerk der Feldgeräte mit den SCADA-Netzwerken der Unternehmen zu verbinden, die auf Ethernet basieren.
Die größte Ähnlichkeit hat der Foundation Fieldbus H1 mit den Profibus PA-Systemen. Beide Technologien basieren auf dem gleichen physikalischen Standard, sodass die Datenübertragungsraten, die Verwendung von Manchester-Codierung, die elektrischen Parameter der Kommunikationslinie, die mögliche Übertragungsleistung und die maximal zulässige Kabellänge im Netzwerksegment (1900 m) identisch sind. In beiden Systemen können zusätzlich bis zu 4 Repeater verwendet werden, wodurch die Segmentlänge bereits 9,5 km erreichen kann. Gemeinsam sind auch die möglichen Netzwerkstrukturen im Steuerungssystem sowie die Prinzipien der Sicherheit gegen Zündgefahr.
Systemkomponenten
Die Hauptbestandteile des Foundation Fieldbus H1 Netzwerks sind:
- Controller für dezentrale Steuerungssysteme (DCS);
- Stromversorgungen für die Feldebene;
- Block- oder modulare Verbindungseinheiten;
- Bus-Terminatoren;
- Intelligente Feldgeräte.
Auch Gateway-Geräte (Linking Device), Protokollwandler, Überspannungsschutzgeräte und Repeater können im System vorhanden sein.
Netztopologie
Ein wichtiges Konzept im H1-Netzwerk ist das Konzept des Segments. Es stellt eine Hauptverbindung (Trunk) dar, von der Abzweigungen (Spur) abgehen, an die Feldgeräte angeschlossen werden. Das Hauptkabel beginnt an der Stromquelle des Busses und endet normalerweise am letzten Verbindungspunkt. Für die Verbindung des Controllers mit den Feldgeräten sind vier Arten von Topologien zulässig: Punkt-zu-Punkt, Ring, Bus und Baum. Jedes Segment kann sowohl mit einer einzelnen Topologie als auch mit Kombinationen dieser aufgebaut werden.
Bei der Verwendung der 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 dem System nahezu alle Vorteile nimmt, die im Foundation Fieldbus vorgesehen sind. Am Controller sind zu viele Schnittstellen beteiligt, und um die Feldgeräte über den Datenbus mit Strom zu versorgen, muss sich für jede Verbindungslinie eine eigene Stromquelle des Feldbusses befinden. Die Längen der Verbindungslinien sind zu groß, und der Informationsaustausch zwischen den Geräten erfolgt ausschließlich über den Controller, was es nicht ermöglicht, das Prinzip der hohen Fehlertoleranz der H1-Systeme zu nutzen.
Die Ringtopologie sieht eine serielle Verbindung der Feldgeräte untereinander vor. Hier sind alle Feldgeräte in einem Segment zusammengefasst, was geringere Ressourcen zulässt. Aber auch diese Topologie hat Nachteile – zunächst müssen Methoden vorgesehen werden, bei denen der Ausfall eines der Zwischen-Sensoren nicht zu einem Abbruch der Verbindung mit den anderen führt. Ein weiteres Manko erklärt sich aus dem Fehlen eines Kurzschlussschutzes in der Verbindungslinie, wodurch der Informationsaustausch im Segment unmöglich ist.
Die größte Zuverlässigkeit und Praktikabilität bieten zwei andere Netzwerk-Topologien – die Bus- und die Baumtopologie, die sich in der Praxis beim Bau von H1-Netzen am weitesten verbreitet haben. Der Sinn dieser Topologien besteht darin, Verbindungseinheiten zu verwenden, um Feldgeräte mit der Hauptkommunikationsleitung zu verbinden. Verbindungseinheiten ermöglichen es, jedes Feldgerät mit einer eigenen Schnittstelle anzuschließen.
Netzwerkparameter
Wichtige Fragen beim Bau eines H1-Netzes sind die physikalischen Parameter – wie viele Feldgeräte in einem Segment verwendet werden können, wie lang das Segment maximal sein darf und wie lang die Abzweigungen sein können. Die Antworten auf diese Fragen hängen von der Art der Stromversorgung und dem Energieverbrauch der Feldgeräte ab, sowie für explosionsgefährdete Objekte von den Methoden zur Gewährleistung der Zündsicherheit.
Die maximale Anzahl der Feldgeräte in einem Segment (32) kann nur erreicht werden, wenn sie von lokalen Quellen vor Ort versorgt werden und keine Mittel zur Gewährleistung der Zündsicherheit vorhanden sind. Wenn Sensoren und Aktoren über den Datenbus versorgt werden, kann die maximale Anzahl der Geräte nur 12 oder weniger betragen, abhängig von den Methoden zur Gewährleistung der Zündsicherheit.
Abhängigkeit der Anzahl der Feldgeräte von der Art der Stromversorgung und den Methoden zur Gewährleistung der Zündsicherheit.
Die Länge des Netzwerksegments wird durch die Art des verwendeten Kabels bestimmt. Die maximale Länge von 1900 m wird bei Verwendung eines Kabeltyps A (geschirmtes Twisted-Pair-Kabel) erreicht. Bei Verwendung eines Kabeltyps D (nicht geschirmtes mehradriges Kabel mit gemeinsamer Abschirmung) – nur 200 m. Mit der Länge des Segments wird die Summe der Längen des Hauptkabels und aller Abzweigungen davon bezeichnet.
Abhängigkeit der Segmentlänge von der Art des Kabels.
Die Länge der Abzweigungen hängt von der Anzahl der Geräte im Netzwerksegment ab. Bei bis zu 12 Geräten beträgt die maximale Länge 120 m. Bei 32 Geräten im Segment beträgt die maximale Länge der Abzweigungen nur 1 m. Wenn Feldgeräte in Reihe geschaltet werden, verringert jedes zusätzliche Gerät die Länge der Abzweigung um 30 m.
Abhängigkeit der Länge der Abzweigungen 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 Planungsprozess des Netzwerks zu beschleunigen, werden spezielle Softwarepakete eingesetzt, wie DesignMate von der FieldComm Group oder der Fieldbus Network Planner von Phoenix Contact. Die Programme ermöglichen die Berechnung physikalischer und elektrischer Parameter des H1-Netzwerks unter Berücksichtigung aller möglichen Einschränkungen.
Zweck der Systemkomponenten
Controller
Die Aufgabe des Controllers besteht in der Umsetzung der Funktionen des Aktiven Verbindungsplaners (LAS) – des Hauptgeräts, das das Netzwerk steuert, indem es Steuerbotschaften versendet. LAS initiiert den Informationsaustausch zwischen den Netzwerkteilnehmern entweder mit geplanten oder ungeplanten Nachrichten, führt Diagnosen durch und synchronisiert alle Geräte.
Darüber hinaus ist der Controller für die automatische Adressierung der Feldgeräte verantwortlich und fungiert als Gateway-Gerät, das eine Ethernet-Schnittstelle zur Kommunikation mit der oberen Ebene des Steuerungssystems auf Basis von Foundation Fieldbus HSE oder einem anderen Kommunikationsprotokoll bereitstellt. Für die obere Ebene des Systems bietet der Controller Funktionen zur Überwachung und Steuerung durch den Betreiber sowie Funktionen zur Remote-Konfiguration der Feldgeräte.
Im Netzwerk können mehrere Aktive Verbindungsplaner vorhanden sein, die die in ihnen enthaltenen Funktionen redundieren. In modernen Systemen können die Funktionen von LAS in einem Gateway-Gerät implementiert werden, das als Protokollkonverter für Steuerungssysteme dient, die auf Standards basieren, die sich vom Foundation Fieldbus HSE unterscheiden.
Stromversorgungen des Feldebusses
Das Stromversorgungssystem im H1-Netz spielt eine Schlüsselrolle, denn für die Möglichkeit des Informationsaustauschs muss im Datenübertragungskabel eine Spannung zwischen 9 und 32 V Gleichstrom unterstützt werden. Unabhängig davon, ob die Feldgeräte über den Datenbus oder über lokale Stromquellen betrieben werden, benötigt das Netzwerk Busstromversorgungen.
Deshalb besteht ihre Hauptaufgabe darin, die erforderlichen elektrischen Parameter im Bus aufrechtzuerhalten sowie die angeschlossenen Geräte mit Strom zu versorgen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Netzteilen unterscheiden sich die Busspannungsquellen dadurch, dass sie einen entsprechenden Impedanzwert der Ausgangsschaltung bei Datenübertragungsfrequenzen aufweisen. Wenn zur Stromversorgung des H1-Netzes direkt Netzteile mit 12 oder 24 V verwendet werden, geht das Signal verloren und der Informationsaustausch im Bus ist nicht möglich.
Reservierte Spannungsquellen für den Feldbus FB-PS (Baugruppe für 4 Segmente).
Angesichts der Bedeutung einer zuverlässigen Stromversorgung des Busses können die Spannungsquellen jedes Segmentes des Netzwerks reserviert werden. Die FB-PS-Stromquellen von Phoenix Contact unterstützen die Technologie der automatischen Laststrombalancierung (Auto Current Balancing). ACB sorgt für eine symmetrische Lastverteilung zwischen den Stromquellen, was sich positiv auf ihren Temperaturschutz auswirkt und letztendlich zu einer längeren Lebensdauer führt.
Das Stromversorgungssystem des H1-Netzes befindet sich in der Regel im Schaltschrank des Controllers.
Verbindungsgeräte
Verbindungsgeräte dienen der Anbindung einer Gruppe von Feldgeräten an den Hauptdatenbus. Je nach Funktion unterscheiden sie sich in zwei Typen: Segmentprotektoren (Segment Protectors) und Feldbarrieren (Field Barriers).
Unabhängig vom Typ schützen die Verbindungsgeräte das Netzwerk vor Kurzschlüssen und Überlastungen in den abgehenden Leitungen. Bei einem Kurzschluss blockiert das Verbindungsgerät den Schnittstellenport, sodass der Kurzschluss nicht im System verbreitet werden kann und somit der Informationsaustausch zwischen den anderen Geräten des Netzwerks gewährleistet bleibt. Nach Beseitigung des Kurzschlusses beginnt der zuvor blockierte Kommunikationsport wieder zu arbeiten.
Feldbarrieren bieten zusätzlich eine galvanische Trennung zwischen nicht-explosionsgeschützten Kreisen des Hauptbusses und den explosionsgeschützten Kreisen der angeschlossenen Feldgeräte (Abzweigungen).
Physikalische Verbindungsgeräte gibt es auch in zwei Typen – in Block- und Modularbauweise. Blockverbindungsgeräte des Typs FB-12SP mit dem Schutzsegment-Funktionalität ermöglichen den Anschluss von Feldgeräten in Zone 2 über explosionsgeschützte Schaltkreise IC, während die Feldbarrieren FB-12SP ISO den Anschluss von Geräten in den Zonen 1 und 0 über explosionsgeschützte Schaltkreise IA zulassen.
Die Verbindungsgeräte FB-12SP und FB-6SP von Phoenix Contact.
Ein Vorteil der modularen Geräte ist die Möglichkeit, das System zu skalieren, indem die benötigte Anzahl an Kanälen für den Anschluss von Feldgeräten ausgewählt wird. Darüber hinaus ermöglichen modulare Geräte, flexible Strukturen zu schaffen. In einem einzelnen Verteilerschrank können Schutzmodule und Feldbarrieren kombiniert werden, sodass Feldgeräte aus einem Schrank in verschiedenen Gefahrenzonen angeschlossen werden können. An einen Bussystem können bis zu 12 doppelte Module FB-2SP oder einzelne Barrieremodule FB-ISO angeschlossen werden, wodurch bis zu 24 Feldgeräte in Zone 2 oder bis zu 12 Sensoren in Zone 1 oder 0 angeschlossen werden können.
Die Verbindungsgeräte können in einem breiten Temperaturbereich betrieben werden und sind in explosionsgeschützten Gehäusen Ex e, Ex d mit einer Schutzart von mindestens IP54 installiert, auch maximal nah am Steuerobjekt.
Geräte zum Schutz vor Überspannungen
Feldschichten-Netzwerke H1 können sehr lange Segmente bilden, und die Verbindungsleitungen können in Bereichen verlaufen, in denen Überspannungen entstehen können. Unter Überspannungen versteht man induzierte Spannungsunterschiede, die durch Blitzeinschläge oder Kurzschlüsse in benachbarten Kabelverbindungen verursacht werden. Die induzierte Spannung, die einige Kilovolt betragen kann, führt zu Entladungströmen in Kiloampere. All diese Phänomene treten innerhalb von Mikrosekunden auf, können jedoch zu Schäden an den Komponenten des H1-Netzes führen. Um Geräte vor solchen Phänomenen zu schützen, ist der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (ÜSP) erforderlich. Der Einsatz von ÜSP anstelle herkömmlicher Durchgangsklemmen gewährleistet einen zuverlässigen und sicheren Betrieb des Systems unter ungünstigen Bedingungen.
Das Prinzip seiner Funktionsweise basiert auf der Nutzung eines quasi-kurzen Kurzschlusses im Nanosekundenbereich zur Durchführung von Entladungströmen in einem Schaltkreis, in dem Elemente verwendet werden, die den Durchfluss von Strömen dieser Größe aushalten können.
Es gibt eine große Anzahl von Varianten von Überspannungsschutzgeräten (ÜZP): ein-kanalige, zwei-kanalige, mit austauschbaren Steckern, mit verschiedenen Diagnosetypen – in Form von Blinkern, trockenem Kontakt. Moderne Diagnosemittel von Phoenix Contact ermöglichen die Überwachung von ÜZP unter Verwendung 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 Foundation Fieldbus-Systemen.
Bus-Terminierung
Der Terminator erfüllt im Netzwerk zwei Funktionen – er überbrückt den Busfeldstrom, der aufgrund der Signalmodulation entsteht, und verhindert die Reflexion des Signals an den Enden der Stammleitung, wodurch Störungen und Jitter (phasenmäßige Schwankungen des digitalen Signals) vermieden werden. Somit ermöglicht der Terminator, die Entstehung ungenauer Daten im Netzwerk oder einen vollständigen Datenverlust zu vermeiden.
In jedem Segment des H1-Netzwerks müssen zwei Terminatoren vorhanden sein, jeweils an jedem Ende des Segments. Die Stromversorgungen des Busses und die Verbindungseinheiten von Phoenix Contact werden mit abschaltbaren Terminatoren ausgestattet. Das Vorhandensein zusätzlicher Terminatoren im Netzwerk, zum Beispiel aufgrund eines Fehlers, würde signifikant das Signalniveau in der Schnittstellenleitung verringern.
Informationsaustausch zwischen Segmenten
Der Informationsaustausch zwischen Feldgeräten ist nicht auf ein Segment beschränkt, sondern kann zwischen verschiedenen Teilen des Netzwerks erfolgen, die über einen Controller oder ein Unternehmensnetzwerk auf Ethernet-Basis verbunden sind. Dabei kann das Protokoll Foundation Fieldbus HSE oder das beliebtere, beispielsweise Modbus TCP, verwendet werden.
Beim Aufbau eines HSE-Netzwerks werden industrielle Switches verwendet. Das Protokoll erlaubt Ring-Redundanz. In diesem Fall 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 zur Netzwerkkonvergenz im Falle eines Verbindungsabbruchs.
Die Integration von HSE-basierten Systemen mit Drittanbietersystemen ist unter Verwendung der OPC-Technologie möglich.
Methoden zur Gewährleistung der Explosionssicherheit
Um ein explosionssicheres System zu schaffen, reicht es nicht aus, sich nur auf die Explosionssicherheitseigenschaften der Geräte zu stützen und deren richtige Anordnung im Objekt zu wählen. Im Rahmen des Systems funktioniert jedes Gerät nicht isoliert, sondern arbeitet innerhalb eines einheitlichen Netzwerks. In Foundation Fieldbus H1 ist der Informationsaustausch zwischen Geräten in verschiedenen Gefahrenbereichen nicht nur mit der Datenübertragung verbunden, sondern auch mit der Übertragung elektrischer Energie. Die Energiemenge, die in einem Bereich zulässig war, kann in einem anderen inakzeptabel sein. Daher wird zur Bewertung der Explosionssicherheit von Feldernetzen und zur Auswahl der optimalen Sicherungsmethode ein systematischer Ansatz verwendet. Unter diesen Methoden haben Methoden zur Gewährleistung der Funkensicherheit die größte Verbreitung gefunden.
Im Hinblick auf Feldbusse gibt es derzeit mehrere Methoden zur Gewährleistung der Funkensicherheit: die traditionelle Methode der Funkenschutzbarrieren, das FISCO-Konzept und die High Power Trunk (HPT) Technologie.
Die erste Methode basiert auf der Nutzung von Funkenschutzbarrieren und realisiert ein bewährtes Konzept, das in Regelungssystemen mit analogen Signalen von 4-20 mA verwendet wurde. Diese Methode ist einfach und zuverlässig, schränkt jedoch die Stromversorgung für Feldgeräte in explosionsgefährdeten Zonen 0 und 1 auf 80 mA ein. In diesem optimistischen Fall kann man maximal 4 Feldgeräte mit einem Verbrauch von 20 mA an ein Segment anschließen, in der Praxis sind es jedoch nicht mehr als 2. In diesem Fall verliert das System alle Vorteile, die im Foundation Fieldbus bestehen, und führt tatsächlich zu einer Punkt-zu-Punkt-Topologie, wobei für den Anschluss einer großen Anzahl von Feldgeräten das System in zahlreiche Segmente unterteilt werden muss. Diese Methode schränkt außerdem erheblich die Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen ein.
Das FISCO-Konzept wurde vom "Nationalen Metrologieinstitut Deutschlands" entwickelt und später in die IEC-Standards sowie anschließend in die GOST aufgenommen. Um die Funken- und Explosionssicherheit des Feldnetzwerks zu gewährleisten, sieht das Konzept die Verwendung von Komponenten vor, die bestimmten Einschränkungen entsprechen. Solche Einschränkungen werden für die Stromversorgungsquellen nach Ausgangsleistung, für Feldgeräte nach Leistungsaufnahme und Induktivität sowie für Kabel nach Widerstand, Kapazität und Induktivität formuliert. Diese Einschränkungen sind damit verbunden, dass kapazitive und induktive Elemente Energie speichern können, die im Störungsmodus, im Falle einer Beschädigung eines Elements des Systems, freigesetzt werden und einen Funkenblitz verursachen kann. Darüber hinaus verbietet das Konzept die Verwendung von Redundanz im Stromversorgungssystem der Buslinie.
FISCO bietet eine größere Stromstärke zur Speisung von Geräten in explosionsgefährdeten Bereichen im Vergleich zur Methode der Feldbarrieren. Hier stehen 115 mA zur Verfügung, was ausreicht, um 4-5 Geräte im Segment mit Strom zu versorgen. Allerdings gibt es auch hier Einschränkungen bezüglich der Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen.
Die High Power Trunk-Technologie ist derzeit die am weitesten verbreitete Technologie zur Gewährleistung der Funken- und Explosionssicherheit in Foundation Fieldbus-Netzwerken, da sie die Mängel beseitigt, die in Barriere-geschützten Netzwerken oder solchen, die nach FISCO aufgebaut sind, bestehen. Mit der HPT-Technologie ist es möglich, den maximalen Wert für Feldgeräte im Netzwerksegment zu erreichen.
Die Technologie begrenzt die elektrischen Parameter des Netzwerks dort, wo dies nicht erforderlich ist, zum Beispiel in der Hauptkommunikationslinie, wo kein Wartungs- oder Austauschbedarf besteht. Für den Anschluss von Feldgeräten, die sich in explosionsgefährdeten Bereichen befinden, werden Verbindungseinheiten mit Funktionen von Feldbarrieren verwendet, die die elektrischen Parameter des Netzwerks zur Speisung von Sensoren unterhalb der relevanten Grenzen halten und sich direkt neben dem Steuerobjekt befinden. In diesem Fall wird im gesamten Segment eine Art von Explosionsschutz Ex e (erhöhter Schutz) verwendet.
Quelle: habr.com
