Foundation Fieldbus on digitaalne suhtlussüsteem, mida kasutatakse automatiseerimises koos Profibus, Modbus või HART -ga. Tehnoloogia ilmus paar aastat hiljem kui tema konkurendid: esimene standardi versioon on dateeritud 1996. aastaga ja sisaldab praegu kahte protokolli teabevahetuseks võrgu osalejate vahel – H1 ja HSE (High Speed Ethernet).
Protokoll H1 kasutatakse teabevahetuseks andurite ja kontrollerite tasandil ning selle võrk põhineb füüsilise tasandi IEC 61158-2 standardil, lubades andmeedastuse kiirus 31,25 kbit/s. Samuti on võimalik väli seadmete toiteallikas korraldada andmeedastusbussi kaudu. HSE võrk põhineb kõrge kiiruseta vahetusvõrkudel (100/1000 Mbit/s) ja seda kasutatakse tootmisprotsesside juhtimise ja ettevõtte haldamise tasandil.
Tehnoloogiat saab rakendada tootmisprotsesside juhtimissüsteemide loomisel igasugustes tööstuslikes objektides, kuid see on enim levinud nafta- ja gaasitööstuses ning keemiatööstuses.
Tehnoloogia võimalused
Foundation Fieldbus loodi traditsioonilise analooganduritel põhineva automatiseeritud juhtimismudeli alternatiivina ning see omab mitmeid eeliseid nii traditsioonilise mudeli kui ka Profibus või HART-põhiste digitaalsete süsteemide ees.
Üks peamisi eeliseid on süsteemide kõrge usaldusväärsus ja tõrketaluvus. H1, mis saavutatakse tänu kahele tegurile:
- intelligentsete seadmete (andurite ja täiturite) kasutamine välitasandi tasemel;
- võimalus korraldada teabevahetus otse välitasandi seadmete vahel ilma kontrolleri osaluseta.
Väliseadmete intelligentsus seisneb juhtimis- ja teabe töötlemise algoritmide kaasamises, mis on traditsiooniliselt ellu viidud kontrolleris. Praktikas võimaldab see süsteemil jätkata tööd isegi siis, kui kontroller rikneb. Selleks tuleb väliseadmed vastavalt konfigureerida ning tagada välisbussi usaldusväärne toiteallikas.
Digitaalse juhtimissüsteemi ja nutikasensorite kasutuselevõtust saadavad lisahüved seisnevad võimaluses saada rohkem teavet iga välis seadme kohta, mitte ainult mõõtmiste tegemise osas, mis lõpuks laiendab protsessi jälgimise ulatust, mis traditsioonilistes analoogsetes süsteemides on piiratud signaalide sisend-väljundisüsteemiga.
H1 võrgu bussitopoloogia kasutamine võimaldab vähendada kaablite pikkust, töömahtu ning loobuda täiendava seadme kasutamisest juhtimissüsteemides: sisend-väljundi moodulid, toiteallikad ja plahvatusohtlike piirkondade puhul – sädemekaitsebarjäärid.
H1 võimaldab kasutada 4-20 mA andurite kommunikatsioonikaableid, mida saab kasutada vanade juhtimissektsioonide uuendamiseks. Tänu tuleohutusprintsiipide rakendamisele kasutatakse tehnoloogiat aktiivselt plahvatusohtlikes keskkondades. Standardiseerimine tagab erinevate tootjate seadmete vahetatavuse ja ühilduvuse, ning tänu väravaseadmetele on võimalik ühendada väljade seadmete võrk ja ettevõtete automaatika- ja juhtimisseente, mis on üles ehitatud Ethernetile.
Foundation Fieldbus H1-l on kõige rohkem sarnasusi Profibus PA süsteemidega. Mõlemad tehnoloogiad põhinevad ühel füüsilise taseme standardil, seega on nende süsteemide andmeedastuskiirus, manchestrekodeeringu kasutamine, sidekaabli elektrilised parameetrid, edastatava võimsuse suurus ja maksimaalne kaabli pikkus võrgusegmendis (1900 m) samad. Samuti on mõlemas süsteemis võimalik kasutada kuni 4 kordajat, mistõttu sega pikkus võib ulatuda isegi 9,5 km-ni. Ühised on ka võrgu topoloogiad juhtimissüsteemis ja tuleohutuse tagamise printsiibid.
Süsteemi komponendid
Foundation Fieldbus H1 võrgu peamised osad on:
- jaotatud juhtimissüsteemi kontroller (DCS);
- välbusse toiteallikad;
- plokilised või modulaarset ühendusseadmed;
- busse terminaatorid;
- nutikad väliseadmed.
Samuti võivad süsteemis olla sildseadmed (Linking Device), protokollimuundurid, ÜZIP ja kordajad.
Võrgu topoloogia
H1 võrgus on oluline mõiste segment. See on peamine ühendusliin (Trunk), millelt hargnevad alajaamad (Spur), kuhu on ühendatud väliseadmed. Peamine kaabel algab bussite toiteallikast ja lõpeb tavaliselt viimase ühendusseadmest. Kontrolleri ühendamiseks väliseadmetega lubatakse nelja tüüpi topoloogiat: punkt-punkt, kiud, buss ja puu. Iga segment võib olla ehitatud kas eraldi topoloogia alusel või nende kombinatsioonide kasutamisel.
Punkt-punkt topoloogia kasutamisel on iga väli seade otse kontrolleriga ühendatud. Iga ühendatud väli seade loon oma võrgus sendiri segmendi. See topoloogia osutub ebamugavaks, kuna see jätab süsteemist peaaegu kõik Foundation Fieldbusi eelised. Kontrolleril on liiga palju liideseid, ja väli seadmete toiteks andmebusilt peab iga sidejoone jaoks olema oma väli-bussi toiteallikas. Sidejoonte pikkus on liiga suur ning seadmete vaheline teave edastatakse ainult kontrolleri kaudu, mis ei võimalda kasutada H1 süsteemide kõrge usaldusväärsuse põhimõtet.
S\u00fchendi topoloogia eeldab, et valvetehnika seadmed on omavahel järjestikku ühendatud. Siin on kõik valvetehnika seadmed koondatud üheks segmendiks, mis võimaldab kasutada vähem ressursse. Kuid sellel topoloogial on ka puudusi – eelkõige tuleb ette näha meetodid, mille abil ühe vaheanduri rike ei katkestaks ühendust teistega. Teine puudus tuleneb l gkadu katkestamise kaitse puudumisest ühenduse joonel, kus infovahetus segmendis on võimatu.
Kõige suurema usaldusväärsuse ja praktilisusega on kaks teist võrgu topoloogiat – bussi ja puu topoloogia, mis on praktikas kõige laiemalt levinud H1-võrkude loomisel. Nende topoloogiate mõte seisneb ühilduvusseadmete kasutamises valvetehnika seadmete ühendamiseks peamise sidejoonega. Ühilduvusseadmed võimaldavad igas valvetehnika seadmes luua oma liidese.
Võrgu parameetrid
Oluliste küsimuste hulka võrgu H1 rajamise osas kuuluvad tema füüsilised parameetrid – kui palju välisseadmeid on võimalik kasutada segmendis, kui pikad võivad olla segmendid ja harud. Vastus neile küsimustele sõltub välisseadmete toiteallikast ja energiatarbimisest, samuti plahvatusohtlikes objektides isoleerimisvõimalustest.
Segmendis maksimaalne välisseadmete arv (32) on saavutatav vaid siis, kui need on ühendatud kohalike toiteallikatega ja puuduvad isoleerimise meetodid. Kui andureid ja ajamivahetusi toidetakse andmebussist, võib seadmete maksimaalne arv olla ainult 12 või vähem, sõltuvalt isoleerimise meetoditest.
Välisseadmete arvu sõltuvus toiteallikast ja isoleerimise meetoditest.
Võrgusegmendi pikkus sõltub kasutatavast kaablitüübist. Maksimaalne pikkus 1900 m saavutatakse A-tüüpi kaabli (varjestatud keermega paari) kasutamisel. D-tüüpi kaabli (mitte keermega juhtme koos ühise varjestusega) kasutamisel on see vaid 200 m. Segmendi all mõistetakse peakaabli ja kõikide harude summa.
Segmendi pikkuse sõltuvus kaablitüübist.
Harude pikkus sõltub seadmete arvust võrgusegmendis. Seega, kui seadmeid on kuni 12 – on maksimaalne 120 m. Kui segmendis on 32 seadet, siis maksimaalne harude pikkus on vaid 1 m. Kui välisseadmeid ühendada kaabliga, vähendab iga lisaseade haru pikkust 30 m võrra.
Harude pikkuse sõltuvus peakaablist segmendis olevate välisseadmete arvust.
Need to optimize the design process, specialized software packages like DesignMate from FieldComm Group or Fieldbus Network Planner from Phoenix Contact are utilized. These programs allow for the calculation of physical and electrical parameters of the H1 network, taking into account all possible limitations.
Süsteemi komponentide määramine
Kontroller
Kontrolleri ülesanne on aktiveerida Suhtlemise Aktiivse Plaanija (LAS) funktsioone – peaseade, mis haldab võrku teenuslike sõnumite edastamise kaudu. LAS algatab teabevahetuse võrgu osaliste vahel plaanitud (ajakava järgi) või plaanimata sõnumitega ning teostab kõikide seadmete diagnostikat ja sünkroniseerimist.
Lisaks sellele vastutab kontroller välisseadmete automaatse adresseerimise eest, toimides väravana, mis pakub Etherneti liidest suhtlemiseks juhtimissüsteemi ülemise tasemega, kasutades Foundation Fieldbus HSE või muud kommunikatsiooniprotokolli. Ülemise taseme süsteemile pakub kontroller operaatori jälgimise ja juhtimise funktsioone ning välisseadmete kaugkonfigureerimise võimalusi.
Võrgus võib olla mitu aktiivset sideteenuse planeerijat, mis tagavad sissetoodud funktsioonide reserveerimise. Moodsa süsteemi puhul võivad LAS funktsioonid paikneda värava seadmes, mis toimib protokollide konverterina juhtimissüsteemidele, mis on üles ehitatud erinevale standardile kui Foundation Fieldbus HSE.
Välisbussi toiteallikad
H1 võrgu toitesüsteem mängib võtmerolli, kuna andmeedastuseks peab andmeedastuskaabli toites püsima vahemikus 9 kuni 32 V alalisvoolu. Ükskõik, kas väli-seadmed saavad toite andmeedastusbussilt või kohapealsetest toiteallikatest, vajab võrk bussitoite.
Seetõttu on nende peamine ülesanne tagada bussil vajalikud elektrilised parameetrid ning toita võrku ühendatud seadmeid. Bussitoite allikad erinevad tavapärastest toiteallikatest selle poolest, et neil on andmeedastuse sagedustel vastav väljundimpedants. Kui H1 võrku toita otse 12 või 24 V toiteallikatega, kaob signaal ja andmeedastus bussil on võimatu.
Müüdud bussitoiteallikad FB-PS (kogumik 4 segmenti jaoks).
Arvestades bussi usaldusväärse toite tagamise tähtsust, saavad iga võrgu segmendi toiteallikad olla varustatud varukoopiate süsteemiga. Phoenix Contacti FB-PS toiteallikad toetavad automaatse voolutasakaalu tehnoloogiat (Auto Current Balancing). ACB tagab toiteallikate vahel sümmeetrilise koormuse, mis aitab nende temperatuuri reguleerimisel ja lõpuks pikendab nende tööiga.
H1 võrgutoitesüsteem asub enamasti kontrolleri kapis.
Liideseseadmed
Liideseseadmed on mõeldud grupi välja seadmete ühendamiseks andmeside bussiga. Funktsioonide järgi jagunevad nad kaheks tüübiks: segmendi kaitsemoodulid (Segment Protectors) ja välja barjäärid (Field Barriers).
Sõltumata tüübist kaitse seadmed vähendavad lühiste ja ülekoormuse riski väljumisliinidel. Lühise ilmnemisel blokeerib kaitse seade liideseporti, takistades lühise levikut süsteemis ja tagades seega teabevahetuse teiste võrgu seadmete vahel. Pärast lühise kõrvaldamist hakkab varem blokeeritud suhtlusport taas töötama.
Välised barjäärid pakuvad täiendavat galvanilist isolatsiooni mitte-iskrobensete ahelate ja iskrobensete ahelate vahel, mis ühendavad väliseadmeid (harud).
Füüsiliselt on kaitse seadmed kahte tüüpi – plokiliste ja moodulite vormis. Plokilised kaitse seadmed tüüpi FB-12SP, mis pakuvad segmendi kaitset, võimaldavad kasutada välisseadmete ühendamiseks tsoonis 2 iskrobenseid ahelate IC, samas kui välised barjäärid FB-12SP ISO võimaldavad seadmete ühendamist tsoonides 1 ja 0 iskrobenseid ahelate IA kaudu.
Phoenix Contact'i kaitse seadmed FB-12SP ja FB-6SP.
Üks moodulseadmete eelistest on süsteemi skaleerimise võimalus, valides välja vajaliku kanalite arvu ühendamiseks välisseadmetega. Lisaks sellele võimaldavad moodulseadmed luua paindlikke struktuure. Ühes jaotuskappis saab kombineerida segmentide kaitsemooduleid ja välisseinu, see tähendab, et ühest kapist saab ühendada välisseadmeid, mis asuvad erinevates plahvatusohtlikes tsoonides. Ühisele bussile saab paigaldada kuni 12 kahetasandilist moodulit FB-2SP või ühetasandilisi barjäärimooduleid FB-ISO, ühendades sellega ühe kapiga kuni 24 välisseadet Tsoonis 2 või kuni 12 andurit Tsoonis 1 või 0.
Seoseseadmed võivad töötada laias temperatuurivahemikus ja need paigaldatakse plahvatuskindlates katetes Ex e, Ex d, mille tolmu- ja veekindluse aste on vähemalt IP54, sealhulgas maksimaalselt lähedale juhtimisseadmele.
Ülepinge kaitse seadmed
H1 välitaseme võrgud võivad moodustada väga ulatuslikke segmente, ja ühendusliinid võivad kulgeda kohtades, kus on võimalik impulsspingete tekkimine. Impulsspinge all mõistetakse indutseeritud potentsiaalide erinevust, mis on põhjustatud äikesetormi välgudest või lühistest lähedalasuvates kaabliliinides. Indutseeritud pinge, mille väärtus on mitme kilovoldi ümber, põhjustab äravoolu voogude tekkimise, mille väärtus on kilovoltides. Kõik need nähtused toimuvad mikrosekundite jooksul, kuid võivad juhtida H1 võrgukomponentide rike. Seadmete kaitsmiseks selliste nähtuste eest on vajalik kasutada ÜZIП. ÜZIП kasutamine tavaliste läbiva klemmi asemel tagab süsteemi usaldusväärse ja ohutu töö ebasoodsates tingimustes.
Tema tööpõhimõte põhineb kvazilühise kasutamisel nanosekundite vahemikus, et juhtida äravoolu vooge ringis, kus kasutatakse komponente, mis suudavad selliste voogude läbimist taluda.
On olemas suur hulk ÜZIP-i variatsioone: ühekanalilised, kahekanaalsed, vahetatavate pistikutega, erinevate diagnostikatüüpidega – nagu blinker või kuiva kontakti mudel. Phoenix Contacti kaasaegsed diagnostikavahendid võimaldavad ÜZIP-i jälgimist digitaalses keskkonnas, mis põhineb Ethernetil. Venemaa tehases toodetakse seadmeid, mis on sertifitseeritud kasutamiseks plahvatusohtlikes keskkondades, sealhulgas Foundation Fieldbus süsteemides.
Bussiterminaator
Terminaator täidab võrgus kahte funktsiooni – lühistab väli bussi voolu, mis tekib signaali moduleerimise tõttu, ja takistab signaali peegeldumist peamise joone otstest, ennetades seeläbi müra ja jitterit (digitaalse signaali faasi kõikumist). Seega aitab terminaator vältida andmete ebatäpsust või isegi andmete kadumist võrgus.
Igas H1 võrgusegmentides peab olema kindlasti kaks terminaatorit, ühes otsas igas segmendis. Bussi toiteallikad ja Phoenix Contacti ühendusseadmestikud on varustatud eemaldatavate terminaatoritega. Üksikute terminaatorite olemasolu võrgus, näiteks vea tõttu, vähendab oluliselt signaali taset liideseliinil.
Teabevahetus segmentide vahel
Teabevahetus välisseadmete vahel ei piirdu ainult ühe segmendiga, vaid see on võimalik erinevate võrgupiirkondade vahel, mis võivad olla seotud kontrolleri või ettevõtte Ethernet-võrgu kaudu. Sel juhul võib kasutada Foundation Fieldbusi HSE protokolli või populaarsemat, näiteks Modbus TCP-d.
HSE võrgud kasutatakse tööstusklassiga lüliteid. Protokoll võimaldab ringikindlustust. Sel juhul tuleb meeles pidada, et ringtopoloogias peavad lülitid kasutama mõnda reserveerimisprotokolli (RSTP, MRP või Extended Ring Redundancy), sõltuvalt võrgusegmentide suurusest ja nõutavast konvergentsiajast ühenduse katkestusel.
HSE-põhiste süsteemide integreerimine kolmandate osapoolte süsteemidega on võimalik OPR-tehnoloogia abil.
Põrkeohutuse tagamise meetodid
Põrkeohutuse süsteemi loomine ei piisa vaid seadmete põrkeohutuse omaduste arvestamisest ja nende õigest paigutamisest objektis. Süsteemi koostisosad ei tööta iseseisvalt, vaid on osa ühest võrgustikust. Foundation Fieldbus H1 võrkudes toimub teabe vahetamine erinevates ohtlikes tsoonides mitte ainult andmete edastamise, vaid ka elektrienergia edastamise kaudu. Energia maht, mis on ühes tsoonis vastuvõetav, võib teises olla vastuvõetamatu. Seetõttu kasutatakse põrkeohutuse hindamiseks ja parima meetodi valimiseks süsteemset lähenemist. Selliste meetodite seas on laialdaselt levinud iskroohutuse tagamise meetodid.
Välitingimuste rehvide puhul on hetkel olemas mitmeid meetodeid sädemekaitse tagamiseks: traditsiooniline sädemekaitsebarjääride meetod, FISCO kontseptsioon ja High Power Trunk (HPT) tehnoloogia.
Esimene neist põhineb sädemekaitsebarjääride kasutamisel ja rakendab katsetatud kontseptsiooni, mida on kasutatud 4-20 mA analoogsignaale põhinevates juhtimissüsteemides. See meetod on lihtne ja usaldusväärne, kuid piirab välisseadmete toitevarustust plahvatusohtlikes tsoonides 0 ja 1 80 mA. Selles olukorras on optimistlikus prognoosis võimalik ühendada mitte rohkem kui 4 välisseadet segmenti, mille tarbimine on 20 mA, kuid praktikas mitte rohkem kui 2. Sellisel juhul kaotab süsteem kõik Foundation Fieldbusi eelised ja viib tegelikult punkt-punkt topoloogiasse, kus suure arvu välisseadmete ühendamiseks tuleb süsteem jagada mitmeks segmendiks. See meetod piirab oluliselt ka põhikaabli ja harude pikkust.
FISCO kontseptsioon töötati välja Saksamaa Riikliku Metrology Instituudi poolt ja hiljem sai sellest osa IEC standarditest ning seejärel ka GOSTist. Et tagada välivõrgu sädemekaitsestatus, eeldab kontseptsioon komponentide kasutamist, mis vastavad teatud piirangutele. Taolised piirangud on määratud toiteallikate väljundvõimsuse, välisseadmete tarbimispoweri ja induktiivsuse ning kaablite takistuse, mahtuvuse ja induktiivsuse osas. Need piirangud on seotud sellega, et mahtuvuslikud ja induktiivsed elemendid võivad koguda energiat, mis hädaolukorras, kui mõni süsteemi element on kahjustatud, võib vabaneva sädeme põhjustada. Lisaks keelab kontseptsioon bussitoite varunduse kasutamise.
FISCO pakub suuremat voolu, et toita seadmeid plahvatusohtlikus piirkonnas, võrreldes välisbarjääride meetodiga. Siin on saadaval 115 mA, mida saab kasutada 4-5 seadme toitmiseks segmendis. Kuid siin on ka piirangud peakaabli ja harude pikkusele.
High Power Trunk tehnoloogia on hetkel kõige laialdasemalt kasutatav tehnoloogia nendele, mis tagavad sädemeteta ohutuse Foundation Fieldbus võrkudes, kuna see ei kanna endas puudusi, mis esinevad barjääridega kaitstud või FISCO kohaselt ehitatud võrkudes. HPT kasutamine on võimaldanud saavutada piirmäära välisseadmete osas võrgusegmendis.
Tehnoloogia ei piira võrgu elektriparameetreid seal, kus see ei ole vajalik, näiteks side peajoonel, kus ei ole vaja seadmeid hooldada ega vahetada. Välisseadmete ühendamiseks, mis asuvad plahvatusohtlikus piirkonnas, kasutatakse tavaliste välisseadmete barjääride funktsiooniga ühendusseadmeid, mis piiravad võrgu elektriparameetreid andurite toitmiseks ja paigaldatakse otse juhtimisseadme lähedusse. Sellisel juhul kasutatakse kogu segmenti ulatuses plahvatuskaitse tüüpi Ex e (täiendav kaitse).
Allikas: habr.com
