Foundation Fieldbus es un sistema de comunicación digital utilizado en la automatización, junto con sistemas como Profibus, Modbus o HART. La tecnología apareció algo más tarde que sus competidores: la primera edición del estándar data de 1996 y actualmente incluye dos protocolos de intercambio de información entre los participantes de la red: H1 y HSE (High Speed Ethernet).
El protocolo H1 se utiliza para el intercambio de información a nivel de sensores y controladores, y su red se basa en el estándar de la capa física IEC 61158-2, permitiendo una velocidad de transferencia de datos de 31,25 kbit/s. Además, la alimentación de los dispositivos de campo puede organizarse a partir del bus de transmisión de datos. La red HSE se basa en redes Ethernet de alta velocidad (100/1000 Mbit/s) y se utiliza para construir redes de sistemas de control automatizado a nivel de controladores y sistemas de gestión empresarial.
La tecnología es aplicable en la construcción de sistemas de control automatizado para cualquier tipo de instalación industrial, pero ha tenido una mayor difusión en empresas del sector de petróleo y gas y en la industria química.
Capacidades de la tecnología
Foundation Fieldbus fue desarrollado como una alternativa al modelo tradicional de sistemas de control automatizados basados en sensores analógicos y ha obtenido una serie de ventajas tanto frente al modelo tradicional como frente a sistemas digitales basados en Profibus o HART.
Una de las principales ventajas radica en el alto grado de fiabilidad y tolerancia a fallos de los sistemas H1, lo cual se logra gracias a dos factores:
- el uso de dispositivos inteligentes a nivel de campo (sensores y actuadores);
- la capacidad de organizar el intercambio de información directamente entre los dispositivos a nivel de campo sin la participación de un controlador.
La inteligencia de los dispositivos de campo radica en la posibilidad de incorporar algoritmos de control y procesamiento de información, que tradicionalmente se realizan en el controlador. En la práctica, esto permite que el sistema continúe funcionando incluso si el controlador falla. Para ello, es necesario que los dispositivos de campo estén configurados adecuadamente y que se garantice un sistema de alimentación confiable para el bus de campo.
Las ventajas adicionales que se obtienen al digitalizar el sistema de gestión y el uso de sensores inteligentes radican en la posibilidad de obtener una mayor cantidad de datos, además de la medición, de cada dispositivo de campo, lo que, en última instancia, amplía el campo de observación del proceso, el cual en los sistemas analógicos tradicionales está limitado por el sistema de entrada y salida de señales.
El uso de una topología en bus en la red H1 permite reducir la longitud de las líneas de cable, el volumen de trabajos de instalación, eliminar la necesidad de equipos adicionales en los sistemas de control: módulos de entrada-salida, fuentes de alimentación, y en zonas explosivas, barreras de protección contra chispas.
H1 permite el uso de cables de comunicación de sensores de 4-20 mA, lo cual puede ser utilizado al actualizar sistemas de control antiguos. Gracias a los principios de seguridad contra explosiones, la tecnología se aplica activamente en ambientes explosivos. La estandarización garantiza la intercambiabilidad y compatibilidad del equipo de diferentes fabricantes, y gracias a los dispositivos de enlace, es posible conectar la red de dispositivos de campo con las redes de sistemas de control de la planta, que se basan en Ethernet.
La mayor similitud entre el Foundation Fieldbus H1 y los sistemas Profibus PA radica en que ambas tecnologías se basan en un único estándar de capa física, por lo que sus velocidades de transmisión de datos, el uso de codificación Manchester, los parámetros eléctricos de la línea de comunicación, la cantidad de potencia transmitible y la longitud máxima del cable en un segmento de red (1900 m) son las mismas. Además, en ambos sistemas se pueden usar hasta 4 repetidores, lo que permite que la longitud del segmento alcance hasta 9,5 km. Las topologías de red posibles en el sistema de control y los principios de seguridad contra explosiones son comunes entre ambos.
Componentes del sistema
Los principales elementos de la red Foundation Fieldbus H1 son:
- controlador de sistema de control descentralizado (DCS);
- fuentes de alimentación para el bus de campo;
- dispositivos de acoplamiento modulares o en bloques;
- terminadores del bus;
- dispositivos de campo inteligentes.
El sistema también puede incluir dispositivos de enlace (Linking Device), convertidores de protocolo, dispositivos de protección contra sobretensiones (UPS) y repetidores.
Topología de la red
Un concepto clave en la red H1 es el de segmento. Este representa una línea principal de comunicación (Trunk), con ramificaciones (Spur) que se conectan a los dispositivos de campo. El cable principal comienza en la fuente de alimentación del bus y generalmente termina en el último dispositivo de conexión. Se permiten cuatro tipos de topología para la comunicación entre el controlador y los dispositivos de campo: punto a punto, bus, cadena y árbol. Cada segmento puede construirse utilizando una topología independiente o combinaciones de estas.
En una topología de punto a punto, cada dispositivo de campo se conecta directamente al controlador. Cada dispositivo de campo conectado forma su propio segmento de red. Esta topología resulta inconveniente, ya que priva al sistema de casi todas las ventajas del Foundation Fieldbus. Se utilizan demasiadas interfaces en el controlador, y para alimentar los dispositivos de campo desde el bus de datos, se debe tener una fuente de alimentación para cada línea de comunicación. La longitud de las líneas de comunicación es demasiado grande, y el intercambio de información entre dispositivos se realiza únicamente a través del controlador, lo que no permite aplicar el principio de alta disponibilidad de los sistemas H1.
La topología de cadena implica la conexión secuencial de los dispositivos de campo entre sí. Aquí, todos los dispositivos de campo están agrupados en un solo segmento, lo que permite utilizar menos recursos. Sin embargo, esta topología también tiene desventajas: en primer lugar, es necesario prever métodos para que la falla de uno de los sensores intermedios no interrumpa la comunicación con los demás. Otra desventaja radica en la falta de protección contra cortocircuitos en la línea de comunicación, lo que haría imposible el intercambio de información en el segmento.
Las dos topologías de red con mayor fiabilidad y practicidad son la topología en bus y la topología en árbol, que se han vuelto las más comunes en la práctica para la construcción de redes H1. El sentido de estas topologías radica en el uso de dispositivos de acoplamiento para conectar dispositivos de campo a la línea principal de comunicación. Los dispositivos de acoplamiento permiten conectar cada dispositivo de campo a su propio puerto.
Parámetros de la red
Las cuestiones importantes al construir una red H1 son sus parámetros físicos: cuántos dispositivos de campo se pueden utilizar en un segmento, cuál puede ser la longitud máxima de un segmento y la longitud de las derivaciones. La respuesta a estas preguntas depende del tipo de alimentación y del consumo energético de los dispositivos de campo, así como de los métodos de seguridad contra explosiones para áreas peligrosas.
El número máximo de dispositivos de campo en un segmento (32) se puede alcanzar solo si son alimentados por fuentes locales in situ y en ausencia de medios de seguridad contra explosiones. Cuando se alimentan sensores y actuadores desde el bus de datos, el número máximo de dispositivos puede ser solo de 12 o menos, dependiendo de los métodos de seguridad contra explosiones.
Dependencia del número de dispositivos de campo respecto al método de alimentación y a los métodos de seguridad contra explosiones.
La longitud del segmento de la red está determinada por el tipo de cable utilizado. La longitud máxima de 1900 m se alcanza con cables de tipo A (par trenzado con pantalla). Con cables de tipo D (cable multihilo no trenzado con pantalla común), la longitud máxima es solo de 200 m. Por longitud de segmento se entiende la suma de la longitud del cable principal y todas las derivaciones de este.
Dependencia de la longitud del segmento respecto al tipo de cable.
La longitud de las derivaciones depende del número de dispositivos en el segmento de la red. Así, con hasta 12 dispositivos, la longitud máxima es 120 m. Al tener 32 dispositivos en el segmento, la longitud máxima de las derivaciones será de solo 1 m. Al conectar dispositivos de campo en cadena, cada dispositivo adicional reduce la longitud de la derivación en 30 m.
Dependencia de la longitud de las derivaciones del cable principal respecto al número de dispositivos de campo en el segmento.
Todos estos factores afectan directamente la estructura y topología del sistema. Para acelerar el proceso de diseño de la red, se utilizan complejos programas especializados, como DesignMate de FieldComm Group o Fieldbus Network Planner de Phoenix Contact. Estos programas permiten calcular los parámetros físicos y eléctricos de la red H1, considerando todas las limitaciones posibles.
Funciones de los componentes del sistema
Controlador
La tarea del controlador incluye la implementación de las funciones del Planificador Activo de Conexiones (LAS), el dispositivo principal que gestiona la red mediante el envío de mensajes de servicio. El LAS inicia el intercambio de información entre los participantes de la red con mensajes programados (según un horario) o no programados, y realiza el diagnóstico y la sincronización de todos los dispositivos.
Además, el controlador es responsable de la asignación automática de direcciones a los dispositivos de campo, actúa como dispositivo gateway, proporcionando una interfaz Ethernet para la conexión con el nivel superior del sistema de control basado en Foundation Fieldbus HSE u otro protocolo de comunicación. Para el nivel superior del sistema, el controlador ofrece funciones de supervisión y control por parte del operador, así como funciones de configuración remota de los dispositivos de campo.
Puede haber varios Planificadores Activos de Conexiones en la red, asegurando la redundancia de las funciones incorporadas. En los sistemas modernos, las funciones LAS pueden implementarse en el dispositivo gateway, que actúa como convertidor de protocolos para sistemas de control construidos sobre un estándar diferente al Foundation Fieldbus HSE.
Fuentes de alimentación del bus de campo
El sistema de alimentación en la red H1 juega un papel clave, ya que para permitir el intercambio de información, el cable de transmisión de datos debe mantener un voltaje en el rango de 9 a 32 V de corriente continua. Independientemente de si los dispositivos de campo son alimentados por el bus de transmisión de datos o por fuentes de alimentación en el sitio, la red requiere fuentes de alimentación para el bus.
Por lo tanto, su propósito principal es mantener los parámetros eléctricos requeridos en el bus, así como alimentar los dispositivos conectados a la red. A diferencia de las fuentes de alimentación convencionales, las fuentes de alimentación del bus tienen una impedancia de salida correspondiente en las frecuencias de transmisión de datos. Si se utiliza directamente una fuente de alimentación de 12 o 24 V para alimentar la red H1, la señal se perderá y la comunicación de datos en el bus será imposible.
Fuentes de alimentación reservadas para el bus de campo FB-PS (ensamblaje para 4 segmentos).
Teniendo en cuenta la importancia de proporcionar una alimentación confiable al bus, las fuentes de alimentación de cada segmento de la red pueden ser reservadas. Las fuentes de alimentación FB-PS de Phoenix Contact admiten la tecnología de balanceo automático de la carga de corriente (Auto Current Balancing). El AB garantiza una carga simétrica entre las fuentes de alimentación, lo que beneficia su temperatura de funcionamiento y, en última instancia, conduce a una mayor vida útil.
El sistema de alimentación de la red H1 generalmente se ubica en el armario del controlador.
Dispositivos de acoplamiento
Los dispositivos de acoplamiento están destinados a conectar un grupo de dispositivos de campo al bus de datos. Según las funciones que realizan, se dividen en dos tipos: módulos de protección de segmento (Segment Protectors) y barreras de campo (Field Barriers).
Independientemente del tipo, los dispositivos de acoplamiento protegen la red de cortocircuitos y sobrecargas de corriente en las líneas de derivación. Al aparecer un cortocircuito, el dispositivo de acoplamiento bloquea el puerto de interfaz, evitando que el cortocircuito se propague por el sistema y garantizando así la comunicación entre los demás dispositivos de la red. Una vez resuelto el cortocircuito en la línea, el puerto de comunicación previamente bloqueado vuelve a funcionar.
Las barreras de campo proporcionan además aislamiento galvanico entre los circuitos no a prueba de explosiones del bus de campo y los circuitos a prueba de explosiones de los dispositivos de campo conectados (derivaciones).
Los dispositivos de acoplamiento físicos también vienen en dos tipos: en ejecución de bloques y módulos. Los dispositivos de acoplamiento en bloque tipo FB-12SP con funcionalidad de protección de segmento permiten utilizar circuitos a prueba de explosiones IC para conectar dispositivos de campo en la Zona 2, mientras que los barreras de campo FB-12SP ISO permiten conectar dispositivos en la Zona 1 y 0 con circuitos a prueba de explosiones IA.
Dispositivos de acoplamiento FB-12SP y FB-6SP de Phoenix Contact.
Una de las ventajas de los dispositivos modulares es la posibilidad de escalar el sistema eligiendo la cantidad necesaria de canales para conectar dispositivos de campo. Además, los dispositivos modulares permiten crear estructuras flexibles. En un armario de distribución se pueden combinar módulos de protección de segmento y barreras de campo, es decir, conectar desde un armario dispositivos de campo ubicados en diferentes zonas de riesgo de explosión. En total, se pueden instalar hasta 12 módulos de dos canales FB-2SP o módulos de un solo canal de barreras FB-ISO en un solo bus, conectando así desde un armario hasta 24 dispositivos de campo en la Zona 2 o hasta 12 sensores en la Zona 1 o 0.
Los dispositivos de acoplamiento pueden operar en un amplio rango de temperaturas y se instalan en carcasas a prueba de explosiones Ex e, Ex d con un grado de protección contra el polvo y la humedad de al menos IP54, ubicándose incluso lo más cerca posible del objeto de control.
Dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias.
Las redes de nivel de campo N1 pueden formar segmentos muy extensos, y las líneas de comunicación pueden pasar por lugares donde es posible la formación de sobretensiones transitorias. Por sobretensiones transitorias se entienden las diferencias de potencial inducidas, causadas por descargas eléctricas durante tormentas o cortocircuitos en líneas de cables cercanas. La tensión inducida, que puede alcanzar varios kilovoltios, provoca corrientes de descarga del orden de kiloamperios. Todos estos fenómenos ocurren en cuestión de microsegundos, pero pueden llevar a la avería de componentes de la red N1. Para proteger el equipo de tales fenómenos, es necesario utilizar dispositivos de protección contra sobretensiones transitorias (UZIП). El uso de UZIП en lugar de terminales pasantes comunes garantiza un funcionamiento confiable y seguro del sistema en condiciones desfavorables.
El principio de su funcionamiento se basa en el uso de un cortocircuito cuasicorto en el rango de nanosegundos para el flujo de corrientes de descarga en un circuito que utiliza componentes capaces de soportar corrientes de tal magnitud.
Existen numerosas variedades de dispositivos de protección contra sobretensiones (UZIП): de un solo canal, de dos canales, con conectores intercambiables, con diferentes tipos de diagnóstico, como parpadeadores o contactos secos. Los modernos medios de diagnóstico de Phoenix Contact permiten monitorear los UZIП utilizando servicios digitales basados en Ethernet. En la fábrica de la compañía en Rusia se fabrican dispositivos certificados para su uso en ambientes explosivos, incluidos sistemas Foundation Fieldbus.
Terminador de bus
El terminador desempeña dos funciones en la red: corta la corriente del bus de campo que surge por la modulación de la señal y evita la reflexión de la señal desde los extremos de la línea troncal, evitando así la aparición de ruido y jitter (vibración de fase de la señal digital). De esta manera, el terminador permite evitar la aparición de datos inexactos en la red o la pérdida total de datos.
En cada segmento de la red H1 es indispensable la presencia de dos terminadores, en cada uno de los extremos del segmento. Las fuentes de alimentación del bus y los dispositivos de acoplamiento de Phoenix Contact vienen equipados con terminadores desconectables. La presencia de terminadores adicionales en la red, por ejemplo, debido a un error, reducirá significativamente el nivel de la señal en la línea de interfaz.
Intercambio de información entre segmentos
El intercambio de información entre dispositivos de campo no se limita a un solo segmento, sino que puede ocurrir entre diferentes partes de la red, que pueden estar conectadas a través de un controlador o una red empresarial basada en Ethernet. En este caso, se puede utilizar el protocolo Foundation Fieldbus HSE o uno más popular, como Modbus TCP.
Al construir redes HSE se utilizan conmutadores de grado industrial. El protocolo permite la reserva en anillo. En este caso, es importante recordar que en una topología en anillo, los conmutadores deben utilizar uno de los protocolos de reserva (RSTP, MRP o Extended Ring Redundancy) dependiendo del tamaño y del tiempo de convergencia requerido de la red en caso de una interrupción de los canales de comunicación.
La integración de sistemas basados en HSE con sistemas externos es posible utilizando la tecnología OPC.
Métodos de garantía de seguridad contra explosiones
Para crear un sistema a prueba de explosiones, no es suficiente basarse únicamente en las características de seguridad contra explosiones del equipo y en la correcta elección de su ubicación en el sitio. Dentro del sistema, cada uno de los dispositivos no funciona de manera independiente, sino que opera dentro de una red unificada. En las redes Foundation Fieldbus H1, el intercambio de información entre dispositivos ubicados en diferentes zonas de riesgo de explosión no solo se relaciona con la transmisión de datos, sino también con la transmisión de energía eléctrica. La cantidad de energía que es aceptable en una zona puede ser inaceptable en otra. Por lo tanto, para evaluar la seguridad contra explosiones de las redes de campo y seleccionar el método óptimo para garantizarla, se utiliza un enfoque sistémico. Entre esos métodos, los métodos de seguridad contra explosiones han ganado mayor reconocimiento.
En relación con los buses de campo, actualmente existen varios métodos para garantizar la seguridad contra explosiones: el método tradicional de barreras de seguridad contra explosiones, la concepción FISCO y la tecnología High Power Trunk (HPT).
El primero se basa en el uso de barreras de seguridad contra explosiones y realiza un concepto probado que se ha utilizado en sistemas de control basados en señales analógicas de 4-20 mA. Este método es simple y confiable, sin embargo, limita la alimentación de los dispositivos de campo en las zonas peligrosas 0 y 1 a 80 mA. En este caso, se puede conectar, en un pronóstico optimista, no más de 4 dispositivos de campo en un segmento con un consumo de 20 mA, pero en la práctica no más de 2. En este caso, el sistema pierde todas las ventajas que existen en Foundation Fieldbus y, de hecho, se convierte en una topología punto a punto, donde para conectar un gran número de dispositivos de campo, es necesario dividir el sistema en múltiples segmentos. Además, este método limita significativamente la longitud del cable troncal y las derivaciones.
El concepto FISCO fue desarrollado por el "Instituto Nacional de Metrología de Alemania" y posteriormente se incorporó a los estándares IEC y luego a las normas GOST. Para garantizar la seguridad contra explosiones en la red de campo, el concepto implica el uso de componentes que cumplen con ciertas restricciones. Tales restricciones se formulan para las fuentes de alimentación en términos de potencia de salida, para los dispositivos de campo en cuanto a la potencia consumida e inductancia, y para los cables en relación con la resistencia, capacidad e inductancia. Estas restricciones están relacionadas con el hecho de que los elementos capacitivos e inductivos pueden acumular energía, que en caso de un modo de emergencia, si algún elemento del sistema se daña, puede liberarse y causar un arco eléctrico. Además, el concepto prohíbe el uso de redundancia en el sistema de alimentación del bus.
FISCO proporciona una mayor cantidad de corriente para alimentar dispositivos en áreas peligrosas en comparación con el método de barreras de campo. Aquí se dispone de 115 mA, lo cual puede utilizarse para alimentar de 4 a 5 dispositivos en el segmento. Sin embargo, también existen restricciones en la longitud del cable troncal y las ramificaciones.
La tecnología High Power Trunk es actualmente la tecnología más común para garantizar la seguridad contra explosiones en redes Foundation Fieldbus, ya que carece de desventajas presentes en redes protegidas por barreras o construidas según FISCO. Con el uso de HPT, se ha logrado alcanzar el valor máximo de dispositivos de campo en el segmento de la red.
La tecnología no limita los parámetros eléctricos de la red donde no es necesario, por ejemplo, en la línea troncal de comunicación, donde no hay necesidad de mantenimiento y reemplazo de equipos. Para conectar dispositivos de campo situados en zonas peligrosas, se utilizan dispositivos de acoplamiento con funcionalidades de barreras de campo, que limitan los parámetros eléctricos de la red para alimentar sensores y se colocan directamente al lado del objeto de control. En este caso, a lo largo de todo el segmento se utiliza el tipo de protección contra explosiones Ex e (protección aumentada).
Fuente: habr.com
