Foundation Fieldbus on digitaalne suhtlussüsteem, mida kasutatakse automatiseerimises koos Profibase, Modbus või HART-iga. Tehnoloogia ilmus mõni aeg hiljem kui konkurendid: esimene standardi väljaanne on dateeritud 1996. aastaga ja sisaldab praeguseks kahte protokolli, mis määravad andmevahetuse võrgu osaliste vahel – H1 ja HSE (kõrge kiirus Ethernet).
Protokoll H1 kasutatakse andmevahetuseks sensori ja kontrolleri tasandil ning selle võrk põhineb IEC 61158-2 füüsikalise tasandi standardil, lubades andmeedastuskiirus 31,25 kbit/s. Sellega on võimalik toita välisseadmeid andmeedastusbusilt. HSE võrk põhineb kiirusel Ethernet (100/1000 Mbit/s) ja seda kasutatakse protsesside automatiseerimise võrgu loomiseks kontrollerite ja ettevõtte juhtimissüsteemide tasandil.
Tehnoloogiat rakendatakse protsesside automatiseerimise loomiseks igasugustes tööstuslikes objektides, kuid see on eriti laialdaselt levinud nafta- ja gaasitööstuses ning keemiatööstuses.
Tehnoloogia võimalused
Foundation Fieldbus on välja töötatud traditsioonilise automatiseeritud juhtimissüsteemi mudeli alternatiivina, mis põhineb analooganduritel, ning omab mitmeid eeliseid nii traditsioonilise mudeli kui ka digitaalsete süsteemide, nagu Profibus või HART, ees.
Üks peamisi eeliseid on kõrge usaldusväärsus ja rikkevastupidavus süsteemides H1, mida saavutatakse kahe teguri kaudu:
- intelligentsete seadmete (andurite ja täiturseadmete) kasutamine välitasandil;
- võimalus korraldada andmevahetus otse välisseadmete vahel ilma kontrolleri osaluseta.
Välisseadmete intelligentsus seisneb võimaluses sisestada juhtimis- ja andmeid töötlemise algoritme, mida tavaliselt teostatakse kontrolleris. Praktikas võimaldab see süsteemil jätkata tööd isegi kontrolleri rikke korral. Selleks peab olema tagatud sobivalt konfigureeritud välisseadmete ja kindel toiteallikas välitöökohale.
Digitaalsete juhtimissüsteemide ja nutikasensorite kasutamisest saadavad lisahüved seisnevad võimaluses koguda andmeid, lisaks mõõtmisele, igast väliseadmest, mis lõpuks laiendab protsessi jälgimise ulatust, mis traditsioonilistes analoogsetes süsteemides on piiratud signaalide sisend- ja väljundüsteemiga.
H1 võrgus bussi topoloogia kasutamine võimaldab vähendada kaablite pikkust ja paigaldustöid, loobuda täiendava seadme kasutamisest juhtimissüsteemides: sisend-väljundmoodulitest, toiteallikatest ja plahvatusohtlikes piirkondades – iskude kaitsebarjääridest.
H1 lubab kasutada 4-20 mA sensorite sidekaableid, mis võivad olla kasulikud vanade juhtimissüsteemide moderniseerimisel. Tõendatud iskude ohutuse põhimõtete tõttu on tehnoloogia aktiivselt kasutusel plahvatusohtlikes keskkondades. Standardiseerimine tagab erinevate tootjate seadmete vahetatavuse ja ühilduvuse ning tänu sildseadmetele on võimalik siduda väli seadmete võrku ja ettevõtte ACU TP võrku, mis põhineb Etherneti tehnoloogial.
Foundation Fieldbusi H1-l on kõige suurem sarnasus Profibus PA süsteemidega. Mõlemad tehnoloogiad põhinevad ühel füüsilise tasandi standardil, seetõttu on nende süsteemide andmeedastuse kiirus, Manchesteri kodeerimise kasutamine, sidekaabli elektrilised parameetrid, edastatavate võimsuste suurus ja maksimumkaabli pikkus võrgu segmendis (1900 m) samad. Samuti on mõlemal süsteemil võimalik kasutada kuni 4 kordajat, mille tõttu võib segment ulatuda juba 9,5 km pikkuseks. Üks ühiseid aspekte on võimalused võrgutopoloogiateks juhtimissüsteemis ning iskude kaitse tagamise põhimõtted.
Süsteemi komponendid
Foundation Fieldbus H1 võrgus on põhielemendid:
- decentraliseeritud juhtimissüsteemi (DCS) kontroller;
- bussi toiteallikad;
- plokk- või moodulülekande seadmed;
- bussi terminatorid;
- nutikad välisseadmed.
Süsteemis võivad samuti olla sildseadmed (Linking Device), protokollide konverterid, ÜZIPl ning kordajad.
Võrgutopoloogia
Oluline mõiste H1 võrgus on segment. See esindab peamist sidejoont (Trunk), millelt hargnevad harujooned (Spur), millele on ühendatud välja seadmed. Peamine kaabel algab bussi toiteallikast ja lõpeb tavaliselt viimase ühendusseadmestikuga. Kontrolleri ja välja seadmete vahelise side jaoks on lubatud neli topoloogiat: punkt-punkt, aas, buss ja puu. Iga segment võib olla ehitatud kas kasutades eraldi topoloogiat või nende kombinatsioonide abil.
Punkt-punkt topoloogia puhul on iga väli seade otse ühendatud kontrolleriga. Iga ühendatud väli seade moodustab omaenda võrgusegmendi. Selline topoloogia osutub ebamugavaks, kuna see võtab süsteemilt peaaegu kõik alusvälbusest tulenevad eelised. Kontrolleril on ülemäära palju liideseid, ja välja seadmete toitmine andmebussilt nõuab, et iga sidejoone puhul oleks oma väli bussi toiteallikas. Sidejoonte pikkus osutub liiga suureks, ning seadmete vaheline infovahetus toimub vaid kontrolleri kaudu, mis ei võimalda kasutada H1 süsteemide kõrge tõrke kindluse põhimõtet.
Aasatopoloogia tähendab väli seadmete järjestikust ühendamist. Siin on kõik väli seadmed ühendatud ühte segmenti, mis võimaldab kasutada vähem ressursse. Kuid sellel topoloogial on ka puudusi – eelkõige tuleb ette näha meetodid, mille puhul ühe vaheanduri rike ei too kaasa side katkemist teistega. Teine puudus tuleneb lühise kaitse puudumisest sidejoonel, mille korral on infovahetus segmendis võimatu.
Kõrgeima usaldusväärsuse ja praktilisusega on kaks muud võrgu topoloogiat – bussitopoloogia ja puutopoloogia, mis on praktikas leidnud kõige laiemat rakendust H1 võrkude ehitamisel. Nende topoloogiate mõte seisneb seadmete ühendamise kasutamises, et ühendada välisseadmed peamise side liiniga. Ühendusseadmed võimaldavad iga välisseadmest ühendada oma liidese.
Võrgu parameetrid
Oluliste küsimuste hulka H1 võrgu ehitamisel kuuluvad selle füüsikalised parameetrid – kui palju välisseadmeid on võimalik kasutada segmendis, millise maksimaalse pikkusega võib segment olla ja millise pikkusega võivad olla harud. Vastus nendele küsimustele sõltub toite tüübist ja välisseadmete energiatarbimisest, samuti plahvatusohtlike objektide puhul iskroohutusmeetoditest.
Maksimaalne välisseadmete arv segmendis (32) saavutatakse ainult siis, kui neid toidavad kohalikud allikad ja kui iskroohutuse meetodeid pole. Andurite ja töötlemisseadmest toitesignaalist andme bussist võib seadmete maksimaalne arv olla ainult 12 või vähem, sõltuvalt iskroohutuse tagamise meetoditest.
Välisseadmete arvu sõltuvus toiteviisist ja iskroohutuse meetoditest.
Võrgu segmendi pikkus sõltub kasutatavast kaabli tüübist. Maksimaalne pikkus 1900 m saavutatakse A-tüüpi kaabli (varjestatud keerdpaar) kasutamisel. D-tüüpi kaabli (keerdamata mitme südamikuga kaabel ühise varjestusega) puhul on see vaid 200 m. Segmendi pikkuse alla käib peakaabli ja kõigi selle harude pikkuste summa.
Segmendi pikkuse sõltuvus kaabli tüübist.
Harude pikkus sõltub segmendis olevate seadmete arvust. Näiteks, kui seadmeid on kuni 12 – on maksimaalne 120 m. Kui segmendis on 32 seadet, siis maksimaalne harude pikkus on vaid 1 m. Kui välisseadmed on ühendatud häälestusjuhtmega, lühendab iga lisaseade haru pikkust 30 m võrra.
Peakaabli harude pikkuse sõltuvus segmendis olevate välisseadmete arvust.
Kõik need tegurid mõjutavad otseselt süsteemi struktuuri ja topoloogiat. Võrgukujundusprotsessi kiirendamiseks kasutatakse spetsiaalseid tarkvarapaketid, nagu DesignMate FieldComm Groupilt või Fieldbus Network Planner Phoenix Contactilt. Need programmid võimaldavad arvutada H1 võrgu füüsilisi ja elektrilisi parameetreid, arvesse võttes kõiki võimalikke piiranguid.
Süsteemi komponentide otstarve
Kontroller
Kontrolleri ülesandeks on aktiivse ühenduse planeerija (LAS) funktsioonide rakendamine – peaseade, mis haldab võrku teenusteate saatmise abil. LAS algatab teabevahetuse võrgu osaliste vahel plaanitud (ajakava järgi) või plaanimata sõnumite kaudu, teostab diagnostikat ja sünkroniseerib kõiki seadmeid.
Lisaks sellele vastutab kontroller automaatse aadressimise eest välisseadmetele, toimib kui väravaseade, pakkudes Etherneti liidest juhtimistaseme ülemise tasandi ühendamiseks Foundation Fieldbus HSE või mõne muu kommunikatsiooniprotokolli alusel. Ülemise tasandi süsteemile pakub kontroller operaatori jälgimise ja juhtimise funktsioone ning välisseadmete kaugkonfigureerimise funktsioone.
Võrgus võib olla mitu aktiivset ühenduse planeerijat, mis tagavad sealsetele funktsioonidele varundamise. Kaasaegsetes süsteemides võivad LAS funktsioonid olla rakendatud väravaseadmes, mis toimib protokollide muundurina juhtimisse süsteemides, mis on üles ehitatud Foundation Fieldbus HSE-st erineval standardil.
Välisbussi toiteallikad
H1 võrgu toitesüsteem mängib võtmerolli, kuna teabevahetuse võimaldamiseks andmeedastuse kaablis peab pinge olema vahemikus 9 kuni 32 V alalisvoolu. Ükskõik, kas välisseadmed saavad toidet andmeedastuse bussist või kohapealsetest toiteallikatest, vajab võrk bussitoiteallikaid.
Seetõttu on nende peamine ülesanne säilitada nõutavad elektrilised parameetrid bussil ja toita võrku ühendatud seadmeid. Erinevalt tavalistest toiteallikatest on bussitoiteallikatel väljundiga ahelas vastav takistus, mis on vajalik andmeedastuse sagedustel. Kui H1 võrgu toitmiseks kasutatakse otse 12 või 24 V toiteallikaid, kaob signaal ja andmevahetus bussil on võimatu.
Väljakujundatud bussitoiteallikad FB-PS (kokkupanek 4 segmenti jaoks).
Arvestades usaldusväärse bussitoitmise tagamise olulisust, võivad iga võrgu segmentide toiteallikad olla varustatud. Phoenix Contact'i FB-PS toiteallikad toetavad automaatse voolu tasakaalustamise tehnoloogiat (Auto Current Balancing). ACV tagab tasakaalustatud koormuse toiteallikate vahel, mis soosib nende temperatuurirežiimi ja lõpuks pikendab nende eluiga.
H1 võrgu toitesüsteem asub tavaliselt kontrolleri kapis.
Ühendusseadmed
Ühendusseadmed on mõeldud grupi väli seadmete ühendamiseks andmeedastus bussiga. Funktsioonide järgi jagunevad nad kaheks: segmentide kaitsemoodulid (Segment Protectors) ja välibarjäärid (Field Barriers).
Sõltumata tüübist kaitsevad ühendusseadmed võrku lühiste ja ülemääraste voolude eest väljuvates liinides. Lühise korral blokeerib ühendusseade liidese porti, takistades lühise levimist süsteemis ja tagades seega andmevahetuse teiste võrgu seadmete vahel. Pärast lühise likvideerimist hakkab varem blokeeritud sideport taas töötama.
Välibarjäärid pakuvad lisaks ka galvanilist isoleerimist mitte-iskriskaitsega ahelate vahel bussil ja iskriskaitsega ühendatavate väli seadmete (harude) vahel.
Füüsiliselt on sideseadmed kahte tüüpi: plokki ja moodulitena. FB-12SP tüüpi plokkseadmestiku funktsioon, mis kaitseb segmenti, võimaldab kasutada piirkonnas 2 piiratud ohutusega IC-ahelate jaoks, samas kui FB-12SP ISO väljaspoolsed barjäärid võimaldavad seadmete ühendamist piirkondades 1 ja 0 piiratud ohutuse IA ahelate kaudu.
Phoenix Contacti sideseadmed FB-12SP ja FB-6SP.
Üheks moodulite eelisteks on süsteemi skaleerimisvõime, võimaldades valida vajaliku kanali arvu välisseadmete ühendamiseks. Samuti võimaldavad moodulid luua paindlikke struktuure. Ühes jaotisosas on võimalik kombineerida segmentide kaitse mooduleid ja välisbarjääre, võimaldades seega ühendada erinevates ohtlike tsoonides asuvaid seadmeid ühest jaotisest. Ühele bussi saab paigaldada kuni 12 kahekanalilise FB-2SP mooduli või ühekanaliliste barjääride FB-ISO moodulite kasutamise, ühendades seega ühest jaotisest kuni 24 välisseadet piirkonnas 2 või kuni 12 andurit piirkondades 1 või 0.
Sideseadmeid saab kasutada laias temperatuurivahemikus ning neid paigutatakse plahvatuskindlates kestades Ex e, Ex d, mille tolmu- ja niiskuskaitse on vähemalt IP54, sealhulgas maksimaalselt lähedale juhtimisseadmestikku.
Üksikute ülekande impulsside kaitse seadmed
Väljavahetuse N1 tasandi võrgud võivad moodustada väga pikki segmente, samas kui sidejooned võivad kulgeda kohtades, kus võivad tekkida impulsspinged. Impulsspinged on juhuslikud pinged, mis on tingitud äikesetormidest või lühisest lühistest lähis asuvates kaablites. Näidatud pinged, mis ulatuvad mitme kilovoldini, põhjustavad häired vooludes, mille suurus ulatub kiloamprite tasemele. Kõik need nähtused kestavad mikrosekundites, kuid võivad põhjustada N1 võrgu komponentide riket. Selliste nähtuste kaitsmiseks on oluline kasutada ÜZIIP-i. ÜZIIP-i kasutamine tavaliste läbivooluklemmide asemel garanteerib süsteemi usaldusväärse ja ohutu töö ebasoodsates tingimustes.
Tema tööpõhimõte põhineb kvazi-lühise kasutamisel nanosekundide ulatuses, et läbi viia purunemisvoolud ringis, kus kasutatakse elemente, mis suudavad taluda sellise suuruse voolu läbimist.
On olemas palju erinevaid ÜZIP-ehitisi: ühekanaalsed, kahekanaalsed, vahetatavate pistikute ja erinevate diagnostikatüüpidega – näiteks blinker või kuivkontakt. Kaasaegsed diagnostikavahendid Phoenix Contactilt võimaldavad ÜZIP-i jälgimist digitaalsete teenuste kaudu Etherneti alusel. Venemaa tehases toodetakse seadmeid, mis on sertifitseeritud kasutamiseks plahvatusohtlikes keskkondades, sealhulgas Foundation Fieldbusi süsteemides.
Bussi terminator
Terminator täidab võrgus kaks funktsiooni – lühistab bussivoolu, mis tekib signaali moduleerimise tõttu, ja takistab signaali peegeldumist peamise liini otstest, vältides seega müra ja jitterit (digitaalsignaali faasidrifti). Seega võimaldab terminator vältida võrgus ebatäpsete andmete ilmumist või andmete täielikku kadumist.
Igas H1-segmendis peab olema kaks terminatorit, millest igaüks asub segmendi otstes. Busside toiteallikad ja Phoenix Contacti ühendusseadmed on varustatud välja lülitatavate terminatoritega. Liigsete terminatorite olemasolu võrgus, näiteks vea tõttu, vähendab oluliselt signaali taset liidesejoones.
Teabevahetus segmentide vahel
Teabevahetus väli-seadmete vahel ei piirdu ühe segmendiga, vaid on võimalik erinevate võrguelementide vahel, mis võivad olla ühendatud kontrolleri või ettevõtte Etherneti võrgu kaudu. Selleks võib kasutada Foundation Fieldbusi HSE protokolli või populaarsemat, näiteks Modbus TCP-d.
HSE võrgu loomisel kasutatakse tööstusklasse kommutaatorit. Protokoll toetab rõngasreservatsiooni. Sellisel juhul tuleb meeles pidada, et rõngastopoloogias peavad kommutaatorid kasutama ühte reservatsiooni protokolli (RSTP, MRP või Extended Ring Redundancy), sõltuvalt võrgu suurusest ja vajalikust konvergentsi ajast sidekanalite katkestamisel.
HSE-põhiste süsteemide integreerimine välistesse süsteemidesse on võimalik OPR-tehnoloogia rakendamisega.
Plahvatuskindluse tagamise meetodid
Plahvatuskindla süsteemi loomine ei piira end vaid plahvatuskindlate seadmete omadustega ja nende õige paigutuse valikuga objektis. Süsteemi raames ei toimi iga seade iseseisvalt, vaid töötab osana ühest võrgust. Foundation Fieldbus H1 võrkudes toimub seadmete vahel teabevahetus, mis asub erinevates plahvatusohtlikes tsoonides, mitte ainult andmete edastamise, vaid ka elektrienergia edastamise kaudu. Energia kogus, mis on ühes tsoonis lubatud, võib teises olla vastuvõetamatult suur. Seetõttu kasutatakse plahvatuskindluse hindamiseks ja optimaalse tagamismeetodi valimiseks süsteemset lähenemist. Selliste meetodite seas on kõige levinumad meetodid iskruohutuse tagamise meetodid.
Praegu on väliskeerme plahvatusohutuse tagamiseks mitmeid meetodeid: traditsiooniline iskruohutuse barjääride meetod, FISCO kontseptsioon ja High Power Trunk (HPT) tehnoloogia.
Esimene põhineb iskruohutuse barjääride kasutamisel ja rakendab katsetatud kontseptsiooni, mida on kasutatud 4-20 mA analoogsignaalide juhtimissüsteemides. See meetod on lihtne ja usaldusväärne, kuid piirab plahvatusohtlike tsoonide 0 ja 1 välisseadmete toitu 80 mA. Optimistliku prognoosi kohaselt on võimalik ühendada mitte rohkem kui 4 väli seadet 20 mA tarbimisega, kuid praktikas mitte rohkem kui 2. Sel juhul kaotab süsteem kõik Foundation Fieldbusi eelised ja viib sisuliselt punkt-punkt topoloogiani, kus suure arvu väli seadmete ühendamiseks tuleb süsteem jagada mitmeks segmentideks. Samuti piirab see meetod oluliselt peakaabli ja harude pikkust.
FISCO kontseptsioon töötati välja Saksamaa Rahvusliku Metrootikaeeskiri Instituudi poolt ja hiljem võeti see omaks IEC standarditesse ning seejärel GOST-i. Väli võrgu iselenetlev ohutuse tagamiseks nõuab kontseptsioon komponentide kasutamist, mis vastavad teatud piirangutele. Sellised piirangud on formuleeritud toiteallikate väljundvõimsuse, väljundseadmete tarbitava võimsuse ja induktiivsuse ning kaablite takistuse, mahtuvuse ja induktiivsuse osas. Need piirangud on seotud sellega, et mahtuvuslikud ja induktiivsed elemendid võivad salvestada energiat, mis hädaolukorras, süsteemi mingi elemendi rikke korral, võib vabastada ja põhjustada sääselahenduse. Lisaks keelab kontseptsioon varupoweri kasutamise bussisüsteemis.
FISCO võimaldab suuremalt voolu suuremalt ohutsoonis töötavate seadmete toitmist võrreldes välisbari kiiresti. Siin on saadaval 115 mA, mis võimaldab toita 4-5 seadet segmendis. Siiski on ka siin olemas piirangud peakaabli ja harudade pikkusele.
High Power Trunk tehnoloogia on praegu kõige levinum taoline tehnoloogia, mis tagab ohutuse Foudation Fieldbusi võrkudes, kuna ei kannata puudusi, mis esinevad seadmetes, millel on barjäärid või mis on rajatud FISCO alusel. HPT kasutamine on aidanud saavutada piirangute andmete parameetreid võrgus.
Tegur ei piira elektrilisi parameetreid vajalikku võrku, näiteks pealinna kommunikasioonijoonel, kus pole vaja seadme hooldamist ja asendamist. Ohtlikus piirkonnas asuvate väljundsüsteemide ühendamiseks kasutatakse taandamise seadmeid, mis üériaavad eri parameetrite ohutuse tagamiseks, seonduvad otse juhtimisobjektiga. Sellisel juhul kasutatakse kogu segmenti jooksul Ex e (kaitse turvalisuse) tüüpi ohutust.
Allikas: habr.com
