Foundation Fieldbus es un sistema de comunicación digital utilizado en automatización junto con Profibus, Modbus o HART. La tecnología apareció un poco más tarde que sus competidores: la primera edición del estándar se remonta a 1996 y actualmente incluye dos protocolos para el intercambio de información entre los participantes de la red: H1 y HSE (Ethernet de alta velocidad).
El protocolo H1 se utiliza para el intercambio de información a nivel de sensor y controlador, y su red se basa en el estándar de capa física IEC 61158-2, lo que permite una velocidad de transferencia de datos de 31,25 kbit/s. En este caso, es posible suministrar energía a los dispositivos de campo desde el bus de datos. La red HSE se basa en redes Ethernet de alta velocidad (100/1000 Mbit/s) y se utiliza para construir una red de sistemas de control de procesos automatizados a nivel de controladores y sistemas de gestión empresarial.
La tecnología es aplicable en la construcción de sistemas automatizados de control de procesos para cualquier instalación industrial, pero está más extendida en empresas de la industria del petróleo y el gas y de la industria química.
Capacidades tecnológicas
Foundation Fieldbus fue desarrollado como una alternativa al modelo tradicional de sistemas de control automatizados basados en sensores analógicos y tiene una serie de ventajas tanto sobre el modelo tradicional como sobre los sistemas digitales basados en Profibus o HART.
Una de las principales ventajas es el alto grado de confiabilidad y tolerancia a fallas de los sistemas. H1, que se consigue gracias a dos factores:
- uso de dispositivos inteligentes (sensores y actuadores) a nivel de campo;
- la capacidad de organizar el intercambio de información directamente entre dispositivos a nivel de campo sin la participación de un controlador.
La inteligencia de los dispositivos de campo radica en la capacidad de implementar algoritmos de control y procesamiento de información que tradicionalmente se implementan en el controlador. En la práctica, esto permite que el sistema continúe funcionando incluso si falla el controlador. Esto requiere que los dispositivos de campo estén configurados apropiadamente y que se proporcione una fuente de alimentación de bus de campo confiable.
Los beneficios adicionales derivados de la digitalización del sistema de control y el uso de sensores inteligentes incluyen la capacidad de obtener más datos más allá de la medición de cada dispositivo de campo, lo que en última instancia amplía el alcance del monitoreo de procesos que en los sistemas analógicos tradicionales se limita al sistema de entrada/salida de señales. . .
El uso de la topología de bus en la red H1 permite reducir la longitud de las líneas de cable, la cantidad de trabajo de instalación y eliminar el uso de equipos adicionales en los sistemas de control: módulos de entrada/salida, fuentes de alimentación y en áreas peligrosas. Barreras de protección contra chispas.
El H1 permite el uso de cables de comunicación de sensores de 4-20 mA, que se pueden utilizar al actualizar sistemas de control más antiguos. Gracias al uso de principios de seguridad intrínsecos, la tecnología se utiliza activamente en entornos explosivos. La estandarización en sí misma garantiza la intercambiabilidad y compatibilidad de equipos de diferentes fabricantes, y gracias a los dispositivos de puerta de enlace es posible interconectar una red de dispositivos de campo y una red de sistemas de control industrial de empresas construidas en Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 es más similar a los sistemas Profibus PA. Ambas tecnologías se basan en el mismo estándar de capa física, por lo que estos sistemas tienen las mismas velocidades de transferencia de datos, el uso de codificación Manchester, los parámetros eléctricos de la línea de comunicación, la cantidad de potencia transmitida posible y la longitud máxima permitida del cable en una red. segmento (1900 m). Además, en ambos sistemas es posible utilizar hasta 4 repetidores, por lo que la longitud del segmento ya puede alcanzar los 9,5 km. Son comunes las posibles topologías de red en el sistema de control, así como los principios para garantizar la seguridad intrínseca.
Componentes del sistema
Los principales elementos de la red Foundation Fieldbus H1 son:
- controlador del sistema de control descentralizado (DCS);
- fuentes de alimentación de bus de campo;
- dispositivos de interfaz modulares o en bloque;
- terminadores de autobús;
- Dispositivos de campo inteligentes.
El sistema también puede contener dispositivos de puerta de enlace (Dispositivo de enlace), convertidores de protocolo, SPD y repetidores.
Topología de la red
Un concepto importante en la red H1 es el concepto de segmento. Es una línea de comunicación principal (Troncal), de la que parten ramales (Spur), a la que se conectan los dispositivos de campo. El cable troncal comienza en la fuente de alimentación del bus y normalmente termina en el último dispositivo de interfaz. Se permiten cuatro tipos de topología para la comunicación entre el controlador y los dispositivos de campo: punto a punto, bucle, bus y árbol. Cada segmento se puede construir usando una topología separada o usando sus combinaciones.
Con una topología punto a punto, cada dispositivo de campo está conectado directamente al controlador. En este caso, cada dispositivo de campo conectado forma su propio segmento de red. Esta topología es inconveniente porque priva al sistema de casi todas las ventajas inherentes a Foundation Fieldbus. Hay demasiadas interfaces en el controlador y, para alimentar dispositivos de campo desde el bus de datos, cada línea de comunicación debe tener su propia fuente de alimentación de bus de campo. La longitud de las líneas de comunicación resulta demasiado larga y el intercambio de información entre dispositivos se realiza únicamente a través del controlador, lo que no permite utilizar el principio de alta tolerancia a fallas de los sistemas H1.
La topología de bucle implica una conexión en serie de dispositivos de campo entre sí. Aquí todos los dispositivos de campo se combinan en un segmento, lo que permite utilizar menos recursos. Sin embargo, esta topología también tiene desventajas: en primer lugar, es necesario prever métodos en los que el fallo de uno de los sensores intermedios no provoque una pérdida de comunicación con los demás. Otro inconveniente se explica por la falta de protección contra cortocircuitos en la línea de comunicación, en la que el intercambio de información en el segmento será imposible.
Otras dos topologías de red tienen la mayor confiabilidad y practicidad: la topología de bus y de árbol, que han encontrado la mayor distribución en la práctica al construir redes H1. La idea detrás de estas topologías es utilizar dispositivos de interfaz para conectar dispositivos de campo a la red troncal. Los dispositivos de acoplamiento permiten conectar cada dispositivo de campo a su propia interfaz.
Configuraciones de red
Las preguntas importantes al construir una red H1 son sus parámetros físicos: cuántos dispositivos de campo se pueden usar en un segmento, cuál es la longitud máxima de un segmento, qué longitud pueden tener las ramas. La respuesta a estas preguntas depende del tipo de suministro eléctrico y del consumo de energía de los dispositivos de campo y, en el caso de zonas peligrosas, de los métodos para garantizar la seguridad intrínseca.
El número máximo de dispositivos de campo en un segmento (32) solo se puede alcanzar si se alimentan de fuentes locales en el sitio y si no hay seguridad intrínseca disponible. Al alimentar sensores y actuadores desde el bus de datos, la cantidad máxima de dispositivos puede ser solo 12 o menos, según los métodos de seguridad intrínseca.
Dependencia del número de dispositivos de campo del método de suministro de energía y de los métodos para garantizar la seguridad intrínseca.
La longitud del segmento de red está determinada por el tipo de cable utilizado. La longitud máxima de 1900 m se alcanza utilizando cable tipo A (par trenzado con pantalla). Cuando se utiliza cable tipo D (cable multifilar no trenzado con blindaje común), sólo 200 m. Se entiende por longitud de un segmento la suma de las longitudes del cable principal y de todos sus ramales.
Dependencia de la longitud del segmento del tipo de cable.
La longitud de las ramas depende de la cantidad de dispositivos en el segmento de red. Entonces, con un número de dispositivos de hasta 12, esto es un máximo de 120 m. Cuando se utilizan 32 dispositivos en un segmento, la longitud máxima de las ramas será de solo 1 m. Cuando se conectan dispositivos de campo con un bucle, cada dispositivo adicional Reduce la longitud del ramal en 30 m.
Dependencia de la longitud de las ramas del cable principal del 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 paquetes de software especiales, como DesignMate del grupo FieldComm o Fieldbus Network Planner de Phoenix Contact. Los programas le permiten calcular los parámetros físicos y eléctricos de la red H1, teniendo en cuenta todas las restricciones posibles.
Propósito de los componentes del sistema.
Controlador
La tarea del controlador es implementar las funciones del Link Active Scheduler (LAS), el dispositivo principal que administra la red mediante el envío de mensajes de servicio. LAS inicia el intercambio de información entre los participantes de la red con mensajes planificados (programados) o no programados, diagnostica y sincroniza todos los dispositivos.
Además, el controlador es responsable del direccionamiento automático de los dispositivos de campo y actúa como un dispositivo de puerta de enlace, proporcionando una interfaz Ethernet para la comunicación con el nivel superior del sistema de control basado en Foundation Fieldbus HSE u otro protocolo de comunicación. En el nivel superior del sistema, el controlador proporciona funciones de control y supervisión del operador, así como funciones para la configuración remota de dispositivos de campo.
Puede haber varios planificadores Active Link en la red, garantizando la redundancia de las funciones integradas en ellos. En los sistemas modernos, las funciones LAS se pueden implementar en un dispositivo de puerta de enlace que actúa como un convertidor de protocolo para sistemas de control integrados en un estándar distinto de Foundation Fieldbus HSE.
Fuentes de alimentación de bus de campo
El sistema de alimentación en la red H1 juega un papel fundamental, ya que para que el intercambio de datos sea posible, la tensión en el cable de datos debe mantenerse en el rango de 9 a 32 V CC. Ya sea que los dispositivos de campo estén alimentados por el bus de datos o por fuentes de alimentación de campo, la red requiere fuentes de alimentación de bus.
Por tanto, su objetivo principal es mantener los parámetros eléctricos requeridos en el bus, así como alimentar los dispositivos conectados a la red. Las fuentes de alimentación de bus se diferencian de las fuentes de alimentación convencionales en que tienen una impedancia de circuito de salida correspondiente en las frecuencias de transmisión de datos. Si utiliza directamente fuentes de alimentación de 1 o 12 V para alimentar la red H24, la señal se perderá y no será posible el intercambio de información en el bus.
Fuentes de alimentación de bus de campo redundantes FB-PS (montaje para 4 segmentos).
Dada la importancia de proporcionar alimentación de bus confiable, las fuentes de alimentación para cada segmento de la red pueden ser redundantes. Las fuentes de alimentación Phoenix Contact FB-PS admiten la tecnología de equilibrio automático de corriente. ASV proporciona una carga simétrica entre las fuentes de energía, lo que tiene un efecto beneficioso sobre sus condiciones de temperatura y, en última instancia, conduce a un aumento de su vida útil.
El sistema de suministro de energía H1 generalmente se encuentra en el gabinete del controlador.
Dispositivos de interfaz
Los dispositivos de acoplamiento están diseñados para conectar un grupo de dispositivos de campo al bus de datos principal. Según las funciones que realizan, se dividen en dos tipos: módulos de protección de segmentos (Segment Protectors) y barreras de campo (Field Barriers).
Independientemente del tipo, los dispositivos de interfaz protegen la red de cortocircuitos y sobrecorrientes en las líneas salientes. Cuando ocurre un cortocircuito, el dispositivo de interfaz bloquea el puerto de interfaz, evitando que el cortocircuito se propague por todo el sistema y garantizando así el intercambio de información entre otros dispositivos de la red. Después de eliminar el cortocircuito en la línea, el puerto de comunicación previamente bloqueado comienza a funcionar nuevamente.
Las barreras de campo proporcionan además aislamiento galvánico entre circuitos no intrínsecamente seguros del bus principal y circuitos intrínsecamente seguros de los dispositivos de campo conectados (derivaciones).
Físicamente, los dispositivos de interfaz también son de dos tipos: bloque y modular. Los dispositivos de interfaz de bloque del tipo FB-12SP con funcionalidad de protección de segmento le permiten usar circuitos IC intrínsecamente seguros para conectar dispositivos de campo en la Zona 2, y las barreras de campo ISO FB-12SP le permiten conectar dispositivos en las Zonas 1 y 0 usando IA intrínsecamente seguro circuitos.
Acopladores FB-12SP y FB-6SP de Phoenix Contact.
Una de las ventajas de los dispositivos modulares es la capacidad de escalar el sistema seleccionando la cantidad de canales necesarios para conectar dispositivos de campo. Además, los dispositivos modulares permiten la creación de estructuras flexibles. En un gabinete de distribución es posible combinar módulos de protección de segmentos y barreras de campo, es decir, conectar desde un gabinete dispositivos de campo ubicados en diferentes zonas con riesgo de explosión. En total, se pueden instalar hasta 12 módulos FB-2SP de doble canal o módulos de barrera FB-ISO de un solo canal en un bus, conectando así desde un gabinete a 24 dispositivos de campo en la Zona 2 o hasta 12 sensores en la Zona 1 o 0.
Los dispositivos de interfaz pueden funcionar en un amplio rango de temperatura y se instalan en carcasas antideflagrantes Ex e, Ex d con un grado de protección contra el polvo y la humedad de al menos IP54, incluso lo más cerca posible del objeto de control.
Dispositivos de protección contra sobretensiones
Las redes de nivel de campo H1 pueden formar segmentos muy largos y las líneas de comunicación pueden funcionar en lugares donde son posibles sobretensiones. Se entiende por sobretensiones pulsadas las diferencias de potencial inducidas provocadas por descargas de rayos o cortocircuitos en líneas de cables cercanas. El voltaje inducido, cuya magnitud es del orden de varios kilovoltios, provoca el flujo de corrientes de descarga de kiloamperios. Todos estos fenómenos ocurren en microsegundos, pero pueden provocar fallas en los componentes de la red H1. Para proteger el equipo de tales fenómenos, es necesario utilizar un SPD. El uso de SPD en lugar de terminales de paso convencionales garantiza un funcionamiento fiable y seguro del sistema en condiciones adversas.
El principio de su funcionamiento se basa en el uso de un cuasicortocircuito en el rango de nanosegundos para el flujo de corrientes de descarga en un circuito que utiliza elementos que pueden soportar el flujo de corrientes de tal magnitud.
Hay una gran cantidad de tipos de SPD: monocanal, bicanal, con enchufes reemplazables, con varios tipos de diagnóstico, en forma de contacto seco intermitente. Las modernas herramientas de diagnóstico de Phoenix Contact le permiten supervisar los protectores contra sobretensiones mediante servicios digitales basados en Ethernet. La planta de la empresa en Rusia produce dispositivos certificados para su uso en entornos explosivos, incluidos los sistemas Foundation Fieldbus.
terminador de bus
El terminador realiza dos funciones en la red: desvía la corriente del bus de campo, que surge como resultado de la modulación de la señal y evita que la señal se refleje desde los extremos de la línea principal, evitando así la aparición de ruido y fluctuación (jitter de fase de la señal digital). Por lo tanto, el terminador le permite evitar la aparición de datos inexactos en la red o la pérdida de datos por completo.
Cada segmento de la red H1 debe tener dos terminadores en cada extremo del segmento. Las fuentes de alimentación de bus y los acopladores de Phoenix Contact están equipados con terminaciones conmutables. 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 segmento, sino que es posible entre diferentes secciones de la red, que pueden conectarse a través de un controlador o una red de planta basada en Ethernet. En este caso, se puede utilizar el protocolo Foundation Fieldbus HSE o uno más popular, por ejemplo, Modbus TCP.
Al construir una red HSE, se utilizan conmutadores de grado industrial. El protocolo permite redundancia de anillo. En este caso, vale la pena recordar que en una topología de anillo, los conmutadores deben utilizar uno de los protocolos de redundancia (RSTP, MRP o redundancia de anillo extendida), dependiendo del tamaño y el tiempo de convergencia de red requerido cuando los canales de comunicación se interrumpen.
La integración de sistemas basados en HSE con sistemas de terceros es posible utilizando la tecnología OPC.
Métodos a prueba de explosiones
Para crear un sistema a prueba de explosiones, no basta con guiarse únicamente por las características a prueba de explosiones del equipo y la elección de su ubicación correcta en el sitio. Dentro del sistema, cada dispositivo no funciona por sí solo, sino que opera dentro de una única red. En las redes Foundation Fieldbus H1, el intercambio de información entre dispositivos ubicados en diferentes áreas peligrosas implica no solo la transferencia de datos, sino también la transferencia de energía eléctrica. La cantidad de energía que era aceptable en una zona puede no serlo 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 sistemático. Entre estos métodos, los métodos para garantizar la seguridad intrínseca son los más utilizados.
En el caso de los buses de campo, actualmente existen varias formas de lograr la seguridad intrínseca: el método tradicional de barrera IS, el concepto FISCO y la tecnología High Power Trunk (HPT).
El primero se basa en el uso de barreras IS e implementa 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, pero limita el suministro de energía a dispositivos de campo en zonas peligrosas 0 y 1 a 80 mA. En este caso, según una previsión optimista, es posible conectar no más de 4 dispositivos de campo por segmento con un consumo de 20 mA, pero en la práctica no más de 2. En este caso, el sistema pierde todas las ventajas existentes. en Foundation Fieldbus y en realidad conduce a una topología punto a punto, cuando para conectar una gran cantidad de dispositivos de campo, el sistema debe dividirse en muchos segmentos. Este método también limita significativamente la longitud del cable principal y de las derivaciones.
El concepto FISCO fue desarrollado por el “Instituto Metrológico Nacional de Alemania” y luego se incluyó en las normas IEC y luego en GOST. Para garantizar la seguridad intrínseca de la red de campo, el concepto implica el uso de componentes que cumplan ciertas restricciones. Se formulan restricciones similares para fuentes de alimentación en términos de potencia de salida, para dispositivos de campo en términos de consumo de energía e inductancia, para cables en términos de resistencia, capacitancia e inductancia. Tales restricciones se deben a que los elementos capacitivos e inductivos pueden acumular energía, que en modo de emergencia, en caso de daño a cualquier elemento del sistema, puede liberarse y provocar una descarga de chispa. Además, el concepto prohíbe el uso de redundancia en el sistema de energía del bus.
FISCO proporciona mayor corriente para alimentar dispositivos en áreas peligrosas en comparación con el método de barrera de campo. Aquí está disponible 115 mA, que se puede utilizar para alimentar de 4 a 5 dispositivos en el segmento. Sin embargo, también existen restricciones en cuanto a la longitud del cable principal y de las derivaciones.
La tecnología High Power Trunk es actualmente la tecnología de seguridad intrínseca más común en las redes Foundation Fieldbus porque no tiene las desventajas que existen en las redes FISCO o protegidas por barreras. Con el uso de HPT, es posible alcanzar el límite de dispositivos de campo en un segmento de red.
La tecnología no limita los parámetros eléctricos de la red cuando esto no es necesario, por ejemplo, en una línea de comunicación troncal, donde no hay necesidad de mantenimiento ni reemplazo de equipos. Para conectar dispositivos de campo ubicados en una zona explosiva, se utilizan dispositivos de interfaz con la funcionalidad de barreras de campo, que limitan los parámetros eléctricos de la red para alimentar los sensores y están ubicados directamente al lado del objeto de control. En este caso se utiliza en todo el segmento el tipo de protección contra explosiones Ex e (protección aumentada).
Fuente: habr.com