Foundation Fieldbus on digitaalne sidesüsteem, mida kasutatakse automatiseerimises koos Profibusi, Modbusi või HARTiga. Tehnoloogia ilmus konkurentidest mõnevõrra hiljem: standardi esimene väljaanne pärineb aastast 1996 ja sisaldab praegu kahte võrgus osalejate vahelise teabevahetuse protokolli - H1 ja HSE (High Speed Ethernet).
Anduri ja kontrolleri tasemel kasutatakse infovahetuseks H1 protokolli ning selle võrk põhineb füüsilise kihi IEC 61158-2 standardil, võimaldades andmeedastuskiirust 31,25 kbit/s. Sel juhul on võimalik andmesiinist andmesidevõrgust toide anda väliseadmeid. HSE võrk põhineb kiiretel Etherneti võrkudel (100/1000 Mbit/s) ning seda kasutatakse automatiseeritud protsessijuhtimissüsteemide võrgu ehitamiseks kontrollerite ja ettevõtte juhtimissüsteemide tasemel.
Tehnoloogia on rakendatav kõigi tööstusrajatiste automatiseeritud protsessijuhtimissüsteemide ehitamisel, kuid kõige laiemalt on see levinud nafta- ja gaasitööstuse ning keemiatööstuse ettevõtetes.
Tehnoloogilised võimalused
Foundation Fieldbus töötati välja alternatiivina traditsioonilisele analooganduritel põhinevatele automatiseeritud juhtimissüsteemide mudelile ning sellel on mitmeid eeliseid nii traditsioonilise mudeli kui ka Profibusil või HART-il põhinevate digitaalsüsteemide ees.
Üks peamisi eeliseid on süsteemide kõrge töökindlus ja tõrketaluvus H1, mis saavutatakse kahe teguri tõttu:
- intelligentsete seadmete (andurid ja täiturmehhanismid) kasutamine välitasandil;
- võimalus korraldada infovahetust otse välitasandi seadmete vahel ilma kontrolleri osaluseta.
Väliseadmete intelligentsus seisneb võimes rakendada juhtimis- ja infotöötlusalgoritme, mida traditsiooniliselt kontrolleris rakendatakse. Praktikas võimaldab see süsteemil tööd jätkata ka kontrolleri tõrke korral. See eeldab, et väliseadmed oleksid õigesti konfigureeritud ja et oleks tagatud usaldusväärne väljasiini toiteallikas.
Täiendavad eelised, mis tulenevad juhtimissüsteemi digitaliseerimisest ja nutikate andurite kasutamisest, hõlmavad võimalust saada igast väliseadmest rohkem andmeid peale mõõtmise, mis lõpuks laiendab protsessi jälgimise ulatust, mis traditsioonilistes analoogsüsteemides piirdub signaali sisend-/väljundsüsteemiga. ..
Siini topoloogia kasutamine H1 võrgus võimaldab vähendada kaabliliinide pikkust, paigaldustööde mahtu ning välistada lisaseadmete kasutamise juhtimissüsteemides: sisend/väljundmoodulid, toiteallikad ja ohtlikes piirkondades säde. kaitsetõkked.
H1 võimaldab kasutada 4-20 mA anduri sidekaableid, mida saab kasutada vanemate juhtimissüsteemide uuendamisel. Tänu sisemise ohutuse põhimõtete kasutamisele kasutatakse tehnoloogiat aktiivselt plahvatusohtlikes keskkondades. Standardimine ise tagab erinevate tootjate seadmete vahetatavuse ja ühilduvuse ning tänu lüüsiseadmetele on võimalik liidestada Ethernetile üles ehitatud väliseadmete võrku ja ettevõtete tööstuslikku juhtimissüsteemide võrku.
Foundation Fieldbus H1 sarnaneb kõige enam Profibus PA süsteemidega. Mõlemad tehnoloogiad põhinevad samal füüsilise kihi standardil, seega on neil süsteemidel samad andmeedastuskiirused, Manchesteri kodeeringu kasutamine, sideliini elektrilised parameetrid, võimalik edastatav võimsus ja võrgus maksimaalne lubatud kaabli pikkus. segment (1900 m). Samuti on mõlemas süsteemis võimalik kasutada kuni 4 repiiterit, tänu millele võib segmendi pikkus ulatuda juba 9,5 km-ni. Võimalikud võrgutopoloogiad juhtimissüsteemis, samuti sisemise ohutuse tagamise põhimõtted on levinud.
Süsteemi komponendid
Foundation Fieldbus H1 võrgu põhielemendid on:
- detsentraliseeritud juhtimissüsteemi (DCS) kontroller;
- väljasiini toiteallikad;
- plokk- või modulaarsed liidesed;
- bussiterminaatorid;
- intelligentsed väliseadmed.
Süsteem võib sisaldada ka lüüsiseadmeid (linkimisseade), protokollimuundureid, SPD-sid ja repiitereid.
Võrgu topoloogia
H1 võrgus on oluline mõiste segmendi mõiste. See on peamine sideliin (Trunk), millest ulatuvad harud (Spur), millega on ühendatud väliseadmed. Magistraalkaabel algab siini toiteallikast ja lõpeb tavaliselt viimase liideseseadmega. Kontrolleri ja väliseadmete vaheliseks suhtluseks on lubatud nelja tüüpi topoloogiat: punkt-punkt, silmus, siin ja puu. Iga segmenti saab ehitada kas eraldi topoloogiat kasutades või nende kombinatsioone kasutades.
Punkt-punkti topoloogiaga on iga väliseade ühendatud otse kontrolleriga. Sel juhul moodustab iga ühendatud väliseade oma võrgusegmendi. See topoloogia on ebamugav, kuna jätab süsteemi ilma peaaegu kõigist Foundation Fieldbusile omasetest eelistest. Kontrolleril on liiga palju liideseid ja väljaseadmete andmesiinist toiteks peab igal sideliinil olema oma väljasiini toiteallikas. Sideliinide pikkus osutub liiga pikaks ja seadmetevaheline teabevahetus toimub ainult kontrolleri kaudu, mis ei võimalda kasutada H1 süsteemide kõrge tõrketaluvuse põhimõtet.
Silmustopoloogia eeldab väliseadmete jadaühendust üksteisega. Siin on kõik väliseadmed ühendatud üheks segmendiks, mis võimaldab kasutada vähem ressursse. Sellel topoloogial on aga ka puudusi – esiteks on vaja ette näha meetodid, mille puhul ühe vahepealse anduri rike ei too kaasa side katkemist teistega. Veel üks puudus on seletatav kaitse puudumisega sideliini lühise eest, mille korral teabevahetus segmendis on võimatu.
Suurima töökindluse ja praktilisusega on veel kaks võrgutopoloogiat – siini- ja puutopoloogia, mis on leidnud praktikas suurima jaotuse H1 võrkude ehitamisel. Nende topoloogiate idee on kasutada liideseseadmeid väliseadmete ühendamiseks magistraalsüsteemiga. Ühendusseadmed võimaldavad ühendada iga väliseadme oma liidesega.
Võrgusätted
Olulised küsimused H1 võrgu ehitamisel on selle füüsilised parameetrid - mitu väliseadet saab segmendis kasutada, milline on segmendi maksimaalne pikkus, kui pikad võivad olla harud. Vastus neile küsimustele sõltub väliseadmete toiteallika tüübist ja energiatarbimisest ning ohtlike piirkondade puhul siseohutuse tagamise meetoditest.
Maksimaalne väliseadmete arv segmendis (32) on saavutatav ainult siis, kui neid toidetakse kohapealsetest kohalikest allikatest ja kui sisemine ohutus pole saadaval. Andurite ja täiturmehhanismide toite andmisel andmesiinist võib seadmete maksimaalne arv olla ainult 12 või vähem, olenevalt sisemisest ohutusmeetodist.
Väliseadmete arvu sõltuvus toiteallikast ja siseohutuse tagamise meetoditest.
Võrgusegmendi pikkus määratakse kasutatava kaabli tüübi järgi. Maksimaalne pikkus 1900 m saavutatakse A-tüüpi kaabli (keerdpaar varjestusega) kasutamisel. D-tüüpi kaabli (mitte keerutatud mitmesoonelise ühise varjega kaabli) kasutamisel - ainult 200 m Segmendi pikkuse all mõistetakse peakaabli ja kõigi sellest lähtuvate harude pikkuste summat.
Segmendi pikkuse sõltuvus kaabli tüübist.
Filiaalide pikkus sõltub võrgusegmendi seadmete arvust. Seega, kuni 12 seadmete arvuga on see maksimaalselt 120 m. 32 seadme kasutamisel segmendis on harude maksimaalne pikkus vaid 1 m. Väliseadmete ühendamisel silmusega on iga lisaseade vähendab oksa pikkust 30 m võrra.
Põhikaablist väljuvate harude pikkuse sõltuvus väliseadmete arvust segmendis.
Kõik need tegurid mõjutavad otseselt süsteemi struktuuri ja topoloogiat. Võrgu kavandamise protsessi kiirendamiseks kasutatakse spetsiaalseid tarkvarapakette, nagu DesignMate firmalt FieldComm Group või Fieldbus Network Planner firmalt Phoenix Contact. Programmid võimaldavad arvutada H1 võrgu füüsilisi ja elektrilisi parameetreid, võttes arvesse kõiki võimalikke piiranguid.
Süsteemi komponentide otstarve
Kontroller
Kontrolleri ülesanne on rakendada LAS (Link Active Scheduler) funktsioone, mis on põhiseade, mis haldab võrku teenindussõnumite saatmise teel. LAS algatab teabevahetuse võrgus osalejate vahel planeeritud (ajastatud) või plaanimata sõnumitega, diagnoosib ja sünkroonib kõik seadmed.
Lisaks vastutab kontroller väliseadmete automaatse adresseerimise eest ja toimib lüüsiseadmena, pakkudes Etherneti liidest suhtlemiseks Foundation Fieldbus HSE või muul sideprotokollil põhineva juhtimissüsteemi ülemise tasemega. Süsteemi tipptasemel pakub kontroller operaatori jälgimise ja juhtimise funktsioone, samuti funktsioone väliseadmete kaugkonfigureerimiseks.
Võrgus võib olla mitu Active Link Scheduleri, mis tagab neisse manustatud funktsioonide liiasuse. Kaasaegsetes süsteemides saab LAS-i funktsioone rakendada lüüsiseadmes, mis toimib muule standardile kui Foundation Fieldbus HSE ehitatud juhtimissüsteemide protokollimuundurina.
Väljasiini toiteallikad
H1 võrgus on võtmeroll toitesüsteemil, sest andmevahetuse võimaldamiseks tuleb andmekaablis hoida pinget vahemikus 9 kuni 32 V alalisvoolu. Olenemata sellest, kas väliseadmeid toiteallikaks on andmesiin või välitoiteallikad, vajab võrk siini toiteallikaid.
Seetõttu on nende põhieesmärk siinil vajalike elektriliste parameetrite säilitamine, samuti võrku ühendatud seadmete toide. Siini toiteallikad erinevad tavapärastest toiteallikatest selle poolest, et neil on andmeedastussagedustel vastav väljundahela impedants. Kui kasutate H1 võrgu toiteks otse 12 või 24 V toiteallikaid, siis signaal kaob ja infovahetus siinil ei ole võimalik.
Üleliigsed väljasiini toiteallikad FB-PS (koost 4 segmendi jaoks).
Arvestades siini usaldusväärse toite pakkumise tähtsust, võivad iga võrgusegmendi toiteallikad olla üleliigsed. Phoenix Contact FB-PS toiteallikad toetavad Auto Current Balancing tehnoloogiat. ASV tagab sümmeetrilise koormuse jõuallikate vahel, millel on kasulik mõju nende temperatuuritingimustele ja lõppkokkuvõttes pikeneb nende kasutusiga.
H1 toitesüsteem asub tavaliselt kontrolleri kapis.
Liidese seadmed
Ühendusseadmed on ette nähtud väliseadmete rühma ühendamiseks põhiandmesiiniga. Funktsioonide järgi, mida nad täidavad, jagunevad need kahte tüüpi: segmendikaitsemoodulid (Segment Protectors) ja väljatõkked (väljatõkked).
Olenemata tüübist kaitsevad liideseseadmed võrku väljaminevate liinide lühiste ja liigvoolude eest. Kui tekib lühis, blokeerib liideseseade liidese pordi, takistades lühise levikut kogu süsteemis ja tagades seeläbi teabevahetuse teiste võrguseadmete vahel. Pärast liini lühise kõrvaldamist hakkab varem blokeeritud sideport uuesti tööle.
Väljatõkked tagavad lisaks galvaanilise isolatsiooni põhisiini mittesisenemiselt ohutute vooluahelate ja ühendatud väljaseadmete (harude) olemuslikult ohutute ahelate vahel.
Füüsiliselt on liideseseadmeid samuti kahte tüüpi - plokk- ja modulaarsed. FB-12SP tüüpi plokiliidese seadmed, millel on segmendikaitsefunktsioonid, võimaldavad 2. tsoonis olevate väliseadmete ühendamiseks kasutada sisemiselt ohutuid IC-ahelaid ning FB-12SP ISO väljatõkked võimaldavad ühendada seadmeid tsoonides 1 ja 0, kasutades sisemiselt ohutut IA. ahelad.
FB-12SP ja FB-6SP sidurid firmalt Phoenix Contact.
Modulaarsete seadmete üheks eeliseks on võimalus süsteemi skaleerida, valides väliseadmete ühendamiseks vajalike kanalite arvu. Lisaks võimaldavad modulaarsed seadmed luua paindlikke struktuure. Ühes jaotuskapis on võimalik kombineerida segmentkaitsemooduleid ja väljatõkkeid ehk ühendada ühest kapist erinevates plahvatusohutsoonides paiknevaid väliseadmeid. Kokku saab ühele siinile paigaldada kuni 12 kahekanalilist FB-2SP moodulit või ühe kanaliga FB-ISO tõkkemoodulit, mis ühendab seega ühest kapist 24 väliseadmega tsoonis 2 või kuni 12 anduriga tsoonis 1 või 0.
Liideseseadmeid saab kasutada laias temperatuurivahemikus ja need paigaldatakse plahvatuskindlatesse korpustesse Ex e, Ex d, mille tolmu- ja niiskuskaitseaste on vähemalt IP54, sealhulgas võimalikult lähedale juhtobjektile.
Ülepingekaitseseadmed
H1 väljatasandi võrgud võivad moodustada väga pikki segmente ja sideliinid võivad kulgeda kohtades, kus on võimalikud liigpinged. Impulssliigpinge all mõeldakse indutseeritud potentsiaali erinevusi, mis on põhjustatud äikeselahendusest või lühistest lähedalasuvates kaabelliinides. Indutseeritud pinge, mille suurusjärk on mitu kilovolti, põhjustab kiloampriteste tühjendusvoolude voolu. Kõik need nähtused toimuvad mikrosekundite jooksul, kuid võivad põhjustada H1 võrgukomponentide rikke. Seadmete kaitsmiseks selliste nähtuste eest on vaja kasutada SPD-d. SPD-de kasutamine tavapäraste läbivooluklemmide asemel tagab süsteemi usaldusväärse ja ohutu töö ebasoodsates tingimustes.
Selle tööpõhimõte põhineb kvaasilühise kasutamisel nanosekundivahemikus tühjendusvoolude voolamiseks ahelas, mis kasutab elemente, mis taluvad sellise suurusega voolude voolu.
SPD-sid on palju tüüpe: ühe kanaliga, kahe kanaliga, vahetatavate pistikutega, erinevat tüüpi diagnostikaga - vilkuri kujul, kuivkontakt. Phoenix Contacti tipptasemel diagnostikatööriistad võimaldavad teil jälgida liigpingekaitsmeid Etherneti-põhiste digitaalteenuste abil. Ettevõtte tehas Venemaal toodab plahvatusohtlikus keskkonnas kasutamiseks sertifitseeritud seadmeid, sealhulgas Foundation Fieldbus süsteeme.
Bussiterminaator
Terminaator täidab võrgus kahte funktsiooni - see šundab väljasiini voolu, mis tekib signaali modulatsiooni tulemusena ja takistab signaali peegeldumist põhiliini otstest, vältides sellega müra ja värina tekkimist (faasivärin). digitaalse signaali kohta). Seega võimaldab terminaator vältida ebatäpsete andmete ilmumist võrku või andmete täielikku kadumist.
Igal H1 võrgu segmendil peab segmendi mõlemas otsas olema kaks terminaatorit. Phoenix Contact siini toiteallikad ja sidurid on varustatud lülitatavate terminaatoritega. Täiendavate terminaatorite olemasolu võrgus, näiteks vea tõttu, vähendab oluliselt signaali taset liideseliinis.
Infovahetus segmentide vahel
Infovahetus väliseadmete vahel ei piirdu ühe segmendiga, vaid on võimalik erinevate võrguosade vahel, mida saab ühendada kontrolleri või Etherneti-põhise tehasevõrgu kaudu. Sel juhul saab kasutada Foundation Fieldbus HSE protokolli või populaarsemat protokolli, näiteks Modbus TCP.
HSE võrgu ehitamisel kasutatakse tööstusliku kvaliteediga lüliteid. Protokoll võimaldab rõnga koondamist. Sel juhul tasub meeles pidada, et ring topoloogias peavad kommutaatorid kasutama üht liiasusprotokolli (RSTP, MRP või Extended Ring Redundancy) olenevalt suurusest ja nõutavast võrgu konvergentsi ajast, kui sidekanalid on katki.
HSE-põhiste süsteemide integreerimine kolmandate osapoolte süsteemidega on võimalik OPC tehnoloogia abil.
Plahvatuskindlad meetodid
Plahvatuskindla süsteemi loomiseks ei piisa, kui juhinduda ainult seadmete plahvatuskindlatest omadustest ja selle õige asukoha valikust objektil. Süsteemis ei tööta iga seade iseseisvalt, vaid töötab ühes võrgus. Foundation Fieldbus H1 võrkudes hõlmab teabevahetus erinevates ohtlikes piirkondades asuvate seadmete vahel mitte ainult andmete edastamist, vaid ka elektrienergia edastamist. Energia hulk, mis oli ühes tsoonis vastuvõetav, ei pruugi olla vastuvõetav teises. Seetõttu kasutatakse välivõrkude plahvatusohutuse hindamiseks ja selle tagamiseks optimaalse meetodi valimiseks süstemaatilist lähenemist. Nendest meetoditest kasutatakse kõige enam sisemise ohutuse tagamise meetodeid.
Kui rääkida välibussidest, siis on sisemise ohutuse saavutamiseks praegu mitu võimalust: traditsiooniline IS-barjäärimeetod, FISCO kontseptsioon ja suure võimsusega magistraaltehnoloogia (HPT).
Esimene põhineb IS-tõkete kasutamisel ja rakendab end tõestanud kontseptsiooni, mida on kasutatud 4-20 mA analoogsignaalidel põhinevates juhtimissüsteemides. See meetod on lihtne ja töökindel, kuid piirab ohtlikes tsoonides 0 ja 1 kuni 80 mA asuvate väliseadmete toiteallikat. Sel juhul on optimistliku prognoosi kohaselt võimalik ühendada kuni 4 väliseadet segmendi kohta tarbimisega 20 mA, kuid praktikas mitte rohkem kui 2. Sel juhul kaotab süsteem kõik olemasolevad eelised Sihtasutus Fieldbusis ja viib tegelikult punkt-punkti topoloogiani, kui suure hulga väliseadmete ühendamiseks tuleb süsteem jagada paljudeks segmentideks. See meetod piirab oluliselt ka põhikaabli ja harude pikkust.
FISCO kontseptsiooni töötas välja Saksamaa Riiklik Metroloogiainstituut ja see lisati hiljem IEC standarditesse ja seejärel GOST-i. Välivõrgu sisemise ohutuse tagamiseks hõlmab kontseptsioon teatud piirangutele vastavate komponentide kasutamist. Sarnased piirangud on sõnastatud toiteallikatele väljundvõimsuse osas, väliseadmetele voolutarbimise ja induktiivsuse osas, kaablitele takistuse, mahtuvuse ja induktiivsuse osas. Sellised piirangud on tingitud asjaolust, et mahtuvuslikud ja induktiivsed elemendid võivad koguda energiat, mis avariirežiimis võib süsteemi mis tahes elemendi kahjustamise korral vabaneda ja põhjustada sädelahendust. Lisaks keelab kontseptsioon siinide toitesüsteemis koondamise kasutamise.
FISCO tagab suurema voolu seadmete toiteks ohtlikes piirkondades võrreldes väljatõkkemeetodiga. Siin on saadaval 115 mA, millega saab segmendis toita 4-5 seadet. Piirangud on aga ka peakaabli ja harude pikkusele.
Suure võimsusega magistraaltehnoloogia on praegu Foundation Fieldbusi võrkudes kõige levinum sisemise ohutuse tehnoloogia, kuna sellel puuduvad tõkkega kaitstud või FISCO võrkudes esinevad puudused. HPT kasutamisega on võimalik saavutada võrgusegmendis väliseadmete limiit.
Tehnoloogia ei piira võrgu elektrilisi parameetreid seal, kus see pole vajalik, näiteks magistraalsideliinil, kus puudub vajadus hoolduseks ja seadmete väljavahetamiseks. Plahvatusohtlikus tsoonis asuvate väliseadmete ühendamiseks kasutatakse väljatõkete funktsionaalsusega liidesseadmeid, mis piiravad andurite toiteks võrgu elektrilisi parameetreid ja asuvad vahetult juhtimisobjekti kõrval. Sel juhul kasutatakse plahvatuskaitse tüüpi Ex e (suurendatud kaitse) kogu segmendi ulatuses.
Allikas: www.habr.com