Foundation Fieldbus on digitaalinen viestintäjärjestelmä, jota käytetään automaatiossa Profibusin, Modbusin tai HARTin kanssa. Tekniikka ilmestyi hieman myöhemmin kuin sen kilpailijat: standardin ensimmäinen painos on vuodelta 1996, ja se sisältää tällä hetkellä kaksi protokollaa tiedonvaihtoon verkon osallistujien välillä - H1 ja HSE (High Speed Ethernet).
H1-protokollaa käytetään tiedonvaihtoon anturi- ja ohjaintasolla, ja sen verkko perustuu IEC 61158-2 fyysisen kerroksen standardiin sallien tiedonsiirtonopeuden 31,25 kbit/s. Tässä tapauksessa on mahdollista syöttää virtaa kenttälaitteisiin dataväylältä. HSE-verkko perustuu nopeisiin Ethernet-verkkoihin (100/1000 Mbit/s) ja sitä käytetään automatisoidun prosessinohjausjärjestelmän verkon rakentamiseen ohjaimien ja yritysjohtamisjärjestelmien tasolla.
Tekniikka soveltuu kaikkien teollisuuslaitosten automatisoitujen prosessinohjausjärjestelmien rakentamiseen, mutta yleisin se on öljy- ja kaasuteollisuuden sekä kemianteollisuuden yrityksissä.
Tekniset ominaisuudet
Foundation Fieldbus kehitettiin vaihtoehdoksi perinteiselle analogisiin antureihin perustuvien automaattisten ohjausjärjestelmien mallille, ja sillä on useita etuja sekä perinteiseen malliin että Profibus- tai HART-pohjaisiin digitaalisiin järjestelmiin verrattuna.
Yksi tärkeimmistä eduista on järjestelmien korkea luotettavuus ja vikasietoisuus H1, joka saavutetaan kahdella tekijällä:
- älykkäiden laitteiden (anturien ja toimilaitteiden) käyttö kenttätasolla;
- kyky järjestää tiedonvaihto suoraan kenttätason laitteiden välillä ilman ohjaimen osallistumista.
Kenttälaitteiden älykkyys piilee kyvyssä toteuttaa ohjaus- ja tiedonkäsittelyalgoritmeja, jotka perinteisesti toteutetaan ohjaimessa. Käytännössä tämä antaa järjestelmän jatkaa toimintaansa, vaikka säädin epäonnistuisi. Tämä edellyttää, että kenttälaitteet on konfiguroitu asianmukaisesti ja luotettava kenttäväylävirtalähde.
Ohjausjärjestelmän digitalisoinnista ja älykkäiden antureiden käytöstä saatavia lisäetuja ovat kyky saada jokaisesta kenttälaitteesta enemmän dataa mittauksen lisäksi, mikä viime kädessä laajentaa prosessin valvontaa, joka perinteisissä analogisissa järjestelmissä rajoittuu signaalin tulo-/lähtöjärjestelmään. .
Väylätopologian käyttö H1-verkossa mahdollistaa kaapelilinjojen pituuden, asennustöiden määrän lyhentämisen sekä lisälaitteiden käytön eliminoimisen ohjausjärjestelmissä: tulo-/lähtömoduuleissa, teholähteissä ja vaarallisilla alueilla - kipinäsuojat.
H1 mahdollistaa 4-20 mA:n anturin tiedonsiirtokaapeleiden käytön, joita voidaan käyttää vanhempia ohjausjärjestelmiä päivitettäessä. Luontaisten turvallisuusperiaatteiden käytön ansiosta tekniikkaa käytetään aktiivisesti räjähdysvaarallisissa ympäristöissä. Standardointi itsessään takaa eri valmistajien laitteiden vaihtokelpoisuuden ja yhteensopivuuden, ja yhdyskäytävälaitteiden ansiosta on mahdollista liittää Ethernetille rakennettu kenttälaitteiden verkko ja yritysten teollinen ohjausjärjestelmäverkko.
Foundation Fieldbus H1 muistuttaa eniten Profibus PA -järjestelmiä. Molemmat tekniikat perustuvat samaan fyysisen kerroksen standardiin, joten näillä järjestelmillä on samat tiedonsiirtonopeudet, Manchester-koodauksen käyttö, tietoliikennelinjan sähköiset parametrit, mahdollisen lähetetyn tehon määrä ja suurin sallittu kaapelin pituus verkossa. segmentti (1900 m). Lisäksi molemmissa järjestelmissä on mahdollista käyttää jopa 4 toistinta, minkä ansiosta segmentin pituus voi olla jo 9,5 km. Ohjausjärjestelmän mahdolliset verkkotopologiat sekä luontaisen turvallisuuden varmistamisen periaatteet ovat yleisiä.
Järjestelmän komponentit
Foundation Fieldbus H1 -verkon pääelementit ovat:
- hajautetun ohjausjärjestelmän (DCS) ohjain;
- kenttäväylän virtalähteet;
- lohko- tai modulaariset liitäntälaitteet;
- linja-autojen terminaattorit;
- älykkäät kenttälaitteet.
Järjestelmä voi sisältää myös yhdyskäytävälaitteita (Linking Device), protokollamuuntimia, SPD:itä ja toistimia.
Verkkotopologia
Tärkeä käsite H1-verkossa on segmentin käsite. Se on pääviestintälinja (Trunk), josta lähtevät haarat (Spur), johon kenttälaitteet on kytketty. Runkokaapeli alkaa väylän virtalähteestä ja päättyy yleensä viimeiseen liitäntälaitteeseen. Ohjaimen ja kenttälaitteiden väliseen tiedonsiirtoon sallitaan neljä topologiatyyppiä: point-to-point, silmukka, väylä ja puu. Jokainen segmentti voidaan rakentaa joko käyttämällä erillistä topologiaa tai käyttämällä niiden yhdistelmiä.
Point-to-point-topologiassa jokainen kenttälaite on kytketty suoraan ohjaimeen. Tässä tapauksessa jokainen kytketty kenttälaite muodostaa oman verkkosegmenttinsä. Tämä topologia on epämukava, koska se riistää järjestelmältä lähes kaikki Foundation Fieldbusin luontaiset edut. Ohjaimessa on liian monta rajapintaa, ja kenttälaitteiden syöttämiseksi dataväylältä jokaisella tietoliikennelinjalla on oltava oma kenttäväylävirtalähde. Tietoliikennelinjojen pituus osoittautuu liian pitkäksi ja tiedonvaihto laitteiden välillä tapahtuu vain ohjaimen kautta, mikä ei salli H1-järjestelmien korkean vikasietoisuuden periaatetta.
Silmukkatopologia tarkoittaa kenttälaitteiden sarjaliitäntää toisiinsa. Täällä kaikki kenttälaitteet yhdistetään yhdeksi segmentiksi, mikä mahdollistaa vähemmän resurssien käytön. Tällä topologialla on kuitenkin myös haittoja - ensinnäkin on tarpeen tarjota menetelmiä, joissa yhden välitunnistimen vika ei johda yhteyden katkeamiseen muiden kanssa. Toinen haittapuoli selittyy suojan puutteella viestintälinjan oikosulkua vastaan, jolloin tiedonvaihto segmentissä on mahdotonta.
Kahdella muulla verkkotopologialla on suurin luotettavuus ja käytännöllisyys - väylä- ja puutopologia, jotka ovat löytäneet suurimman jakauman käytännössä H1-verkkoja rakennettaessa. Näiden topologioiden ideana on käyttää rajapintalaitteita kenttälaitteiden yhdistämiseen runkoon. Kytkentälaitteet mahdollistavat jokaisen kenttälaitteen kytkemisen omaan liitäntäänsä.
Verkkoasetukset
Tärkeitä kysymyksiä H1-verkkoa rakennettaessa ovat sen fyysiset parametrit - kuinka monta kenttälaitetta segmentissä voidaan käyttää, mikä on segmentin enimmäispituus, kuinka pitkiä haarat voivat olla. Vastaus näihin kysymyksiin riippuu kenttälaitteiden virransyötön tyypistä ja energiankulutuksesta sekä vaarallisilla alueilla luontaisen turvallisuuden varmistamismenetelmistä.
Kenttälaitteiden enimmäismäärä segmentissä (32) voidaan saavuttaa vain, jos ne saavat virran paikallisista lähteistä paikan päällä ja jos luonnostaan turvallisuutta ei ole saatavilla. Kun anturit ja toimilaitteet syötetään tietoväylästä, laitteiden enimmäismäärä voi olla vain 12 tai vähemmän riippuen luontaisen turvallisuuden menetelmistä.
Kenttälaitteiden lukumäärän riippuvuus virransyöttötavasta ja menetelmistä luontaisen turvallisuuden varmistamiseksi.
Verkkosegmentin pituus määräytyy käytetyn kaapelin tyypin mukaan. Enimmäispituus 1900 m saavutetaan käytettäessä tyypin A kaapelia (kierretty pari suojalla). Käytettäessä kaapelityyppiä D (ei kierrettyä monisäikeistä kaapelia yhteisellä suojavaipalla) - vain 200 m. Segmentin pituudella tarkoitetaan pääkaapelin ja kaikkien siitä lähtevien haarojen pituuksien summaa.
Segmentin pituuden riippuvuus kaapelityypistä.
Haarojen pituus riippuu verkkosegmentin laitteiden määrästä. Eli enintään 12 laitteiden lukumäärällä tämä on enintään 120 m. Käytettäessä 32 laitetta segmentissä oksien enimmäispituus on vain 1 m. Kun kenttälaitteita kytketään silmukalla, jokainen lisälaite vähentää oksan pituutta 30 m.
Pääkaapelin haarojen pituuden riippuvuus segmentin kenttälaitteiden lukumäärästä.
Kaikki nämä tekijät vaikuttavat suoraan järjestelmän rakenteeseen ja topologiaan. Verkon suunnitteluprosessin nopeuttamiseksi käytetään erityisiä ohjelmistopaketteja, kuten FieldComm Groupin DesignMate tai Phoenix Contactin Fieldbus Network Planner. Ohjelmien avulla voit laskea H1-verkon fyysiset ja sähköiset parametrit ottaen huomioon kaikki mahdolliset rajoitukset.
Järjestelmäkomponenttien käyttötarkoitus
ohjain
Ohjaimen tehtävänä on toteuttaa LAS (Link Active Scheduler), verkkoa palveluviestejä lähettämällä hallitsevan päälaitteen toiminnot. LAS aloittaa tiedonvaihdon verkon osallistujien välillä suunnitelluilla (aikataulutetuilla) tai ajoittamattomilla viesteillä, diagnosoi ja synkronoi kaikki laitteet.
Lisäksi ohjain vastaa kenttälaitteiden automaattisesta osoituksesta ja toimii yhdyskäytävälaitteena, joka tarjoaa Ethernet-liitännän tiedonsiirtoon Foundation Fieldbus HSE:n tai muun tiedonsiirtoprotokollan pohjalta ohjausjärjestelmän ylemmän tason kanssa. Järjestelmän ylimmällä tasolla säädin tarjoaa käyttäjän valvonta- ja ohjaustoiminnot sekä toimintoja kenttälaitteiden etäkonfigurointiin.
Verkossa voi olla useita Active Link Schedulereita, mikä takaa niihin upotettujen toimintojen redundanssin. Nykyaikaisissa järjestelmissä LAS-toiminnot voidaan toteuttaa yhdyskäytävälaitteessa, joka toimii protokollamuuntimena ohjausjärjestelmille, jotka on rakennettu muuhun kuin Foundation Fieldbus HSE -standardiin.
Kenttäväylän virtalähteet
H1-verkon tehonsyöttöjärjestelmä on avainasemassa, sillä tiedonsiirron mahdollistamiseksi datakaapelin jännite on pidettävä välillä 9 - 32 V DC. Saavatpa kenttälaitteet virtansa dataväylästä tai kenttäteholähteistä, verkko vaatii väylävirtalähteitä.
Siksi niiden päätarkoituksena on ylläpitää vaaditut sähköparametrit väylässä sekä antaa virtaa verkkoon kytkettyille laitteille. Väyläteholähteet eroavat perinteisistä teholähteistä siinä, että niillä on vastaava lähtöpiirin impedanssi tiedonsiirtotaajuuksilla. Jos käytät suoraan 1 tai 12 V teholähteitä H24-verkon syöttämiseen, signaali katoaa eikä tiedonvaihto väylällä ole mahdollista.
Redundantit kenttäväylävirtalähteet FB-PS (kokoonpano 4 segmentille).
Kun otetaan huomioon luotettavan väylävirran tarjoamisen tärkeys, kunkin verkkosegmentin teholähteet voivat olla redundantteja. Phoenix Contact FB-PS -virtalähteet tukevat Auto Current Balancing -tekniikkaa. ASV tarjoaa symmetrisen kuorman teholähteiden välillä, mikä vaikuttaa suotuisasti niiden lämpötilaolosuhteisiin ja johtaa viime kädessä niiden käyttöiän pidentämiseen.
H1-virtalähdejärjestelmä sijaitsee tyypillisesti säädinkaapissa.
Liitäntälaitteet
Kytkentälaitteet on suunniteltu yhdistämään ryhmä kenttälaitteita päädataväylään. Niiden suorittamien toimintojen perusteella ne jaetaan kahteen tyyppiin: segmenttisuojamoduulit (Segment Protectors) ja kenttäesteet (Field Barriers).
Tyypistä riippumatta liitäntälaitteet suojaavat verkkoa oikosuluilta ja ylivirroilta lähtevissä linjoissa. Oikosulun sattuessa liitäntälaite tukkii liitäntäportin, mikä estää oikosulun leviämisen koko järjestelmään ja näin takaa tiedonvaihdon muiden verkkolaitteiden välillä. Linjan oikosulun poistamisen jälkeen aiemmin estetty tietoliikenneportti alkaa taas toimia.
Kenttäesteet tarjoavat lisäksi galvaanisen eristyksen pääväylän luonnostaan vaarattomien piirien ja liitettyjen kenttälaitteiden (haarojen) luonnostaan turvallisten piirien välillä.
Fyysisesti liitäntälaitteita on myös kahta tyyppiä - lohko- ja modulaarisia. FB-12SP-tyypin lohkoliitäntälaitteet segmenttisuojaustoiminnolla mahdollistavat luonnostaan turvallisten IC-piirien käytön kenttälaitteiden kytkemiseen vyöhykkeellä 2, ja FB-12SP ISO-kenttäesteet mahdollistavat laitteiden yhdistämisen vyöhykkeissä 1 ja 0 käyttämällä luonnostaan turvallista IA:ta. piirit.
Phoenix Contactin FB-12SP ja FB-6SP liittimet.
Yksi modulaaristen laitteiden eduista on mahdollisuus skaalata järjestelmää valitsemalla kenttälaitteiden liittämiseen tarvittavien kanavien määrä. Lisäksi modulaariset laitteet mahdollistavat joustavien rakenteiden luomisen. Yhdessä jakelukaapissa on mahdollista yhdistää segmenttisuojausmoduuleja ja kenttäesteitä eli yhdistää eri räjähdysvaaravyöhykkeillä olevia kenttälaitteita yhdestä kaapista. Yhteensä yhdelle väylälle voidaan asentaa jopa 12 kaksikanavaista FB-2SP-moduulia tai yksikanavaista FB-ISO-estemoduulia, jolloin yhdestä kaapista voidaan yhdistää 24 vyöhykkeen 2 kenttälaitteeseen tai jopa 12 anturiin vyöhykkeellä 1 tai 0.
Liitäntälaitteita voidaan käyttää laajalla lämpötila-alueella ja ne asennetaan räjähdyssuojattuihin koteloihin Ex e, Ex d, joiden pöly- ja kosteussuojausaste on vähintään IP54, mukaan lukien mahdollisimman lähelle ohjauskohdetta.
Ylijännitesuojalaitteet
H1-kenttätason verkot voivat muodostaa erittäin pitkiä segmenttejä ja tietoliikennelinjat voivat kulkea paikoissa, joissa ylijännitepiikit ovat mahdollisia. Pulssiylijännitteillä tarkoitetaan indusoituneita potentiaalieroja, jotka aiheutuvat salaman purkauksista tai oikosulkuista lähellä olevissa kaapelilinjoissa. Indusoitunut jännite, jonka suuruus on useiden kilovolttien luokkaa, aiheuttaa kiloampeerien suuruisia purkausvirtoja. Kaikki nämä ilmiöt tapahtuvat mikrosekunneissa, mutta voivat johtaa H1-verkkokomponenttien vikaantumiseen. Laitteiden suojaamiseksi tällaisilta ilmiöiltä on käytettävä SPD:tä. SPD:n käyttö perinteisten läpivientiliittimien sijaan takaa järjestelmän luotettavan ja turvallisen toiminnan epäsuotuisissa olosuhteissa.
Sen toimintaperiaate perustuu näennäisoikosulun käyttöön nanosekunnin alueella purkausvirtojen virtaamiseen piirissä, joka käyttää elementtejä, jotka kestävät tällaisen suuruuden virtaa.
SPD-tyyppejä on suuri määrä: yksikanavainen, kaksikanavainen, vaihdettavilla pistokkeilla, erilaisilla diagnostiikalla - vilkkujen muodossa, kuiva kosketus. Phoenix Contactin uusimpien diagnostiikkatyökalujen avulla voit valvoa ylijännitesuojaimia Ethernet-pohjaisten digitaalisten palveluiden avulla. Yhtiön Venäjän tehtaalla valmistetaan räjähdysvaarallisissa ympäristöissä sertifioituja laitteita, mukaan lukien Foundation Fieldbus -järjestelmät.
Linja-auton terminaattori
Päätteellä on kaksi toimintoa verkossa - se shuntoi kenttäväylävirran, joka syntyy signaalimodulaation seurauksena ja estää signaalin heijastumisen pääjohdon päistä, mikä estää kohinan ja värinän (vaihevärinän) ilmaantumisen. digitaalisesta signaalista). Siten terminaattorin avulla voit välttää virheellisten tietojen ilmestymisen verkossa tai tietojen katoamisen kokonaan.
Jokaisella H1-verkon segmentillä on oltava kaksi päätelaitetta segmentin kummassakin päässä. Phoenix Contact -väylän teholähteet ja kytkimet on varustettu kytkettävillä päätteillä. Ylimääräisten päätteiden läsnäolo verkossa, esimerkiksi virheen vuoksi, vähentää merkittävästi signaalitasoa liitäntälinjassa.
Tiedonvaihto segmenttien välillä
Kenttälaitteiden välinen tiedonvaihto ei rajoitu yhteen segmenttiin, vaan se on mahdollista verkon eri osien välillä, jotka voidaan liittää ohjaimen tai Ethernet-pohjaisen yritysverkon kautta. Tässä tapauksessa voidaan käyttää Foundation Fieldbus HSE -protokollaa tai suositumpaa, esimerkiksi Modbus TCP:tä.
HSE-verkkoa rakennettaessa käytetään teollisuustason kytkimiä. Protokolla sallii soittojen redundanssin. Tällöin kannattaa muistaa, että rengastopologiassa kytkimien on käytettävä yhtä redundanssiprotokollia (RSTP, MRP tai Extended Ring Redundancy) koon ja tarvittavan verkon konvergenssiajan mukaan, kun tietoliikennekanavat katkeavat.
HSE-pohjaisten järjestelmien integrointi kolmannen osapuolen järjestelmiin on mahdollista OPC-teknologian avulla.
Räjähdyssuojatut menetelmät
Räjähdyssuojatun järjestelmän luomiseksi ei riitä, että ohjataan vain laitteiden räjähdyssuojattuja ominaisuuksia ja sen oikean sijainnin valintaa työmaalla. Järjestelmän sisällä jokainen laite ei toimi itsenäisesti, vaan toimii yhdessä verkossa. Foundation Fieldbus H1 -verkoissa tiedonvaihto eri vaara-alueilla sijaitsevien laitteiden välillä käsittää paitsi tiedonsiirron myös sähköenergian siirron. Energiamäärä, joka oli hyväksyttävä yhdellä vyöhykkeellä, ei ehkä ole hyväksyttävää toisella. Siksi kenttäverkkojen räjähdysturvallisuuden arvioimiseksi ja optimaalisen menetelmän valitsemiseksi sen varmistamiseksi käytetään systemaattista lähestymistapaa. Näistä menetelmistä luontaisen turvallisuuden varmistavat menetelmät ovat yleisimmin käytettyjä.
Kenttäväylojen osalta on olemassa useita tapoja saavuttaa luontainen turvallisuus: perinteinen IS-sulkumenetelmä, FISCO-konsepti ja High Power Trunk Technology (HPT).
Ensimmäinen perustuu IS-esteiden käyttöön ja toteuttaa hyväksi todetun konseptin, jota on käytetty 4-20 mA analogisiin signaaleihin perustuvissa ohjausjärjestelmissä. Tämä menetelmä on yksinkertainen ja luotettava, mutta rajoittaa virransyötön vaarallisilla vyöhykkeillä 0 ja 1 oleviin kenttälaitteisiin 80 mA:iin. Tässä tapauksessa optimistisen ennusteen mukaan on mahdollista liittää enintään 4 kenttälaitetta segmenttiä kohden, joiden kulutus on 20 mA, mutta käytännössä enintään 2. Tällöin järjestelmä menettää kaikki olemassa olevat edut. Foundation Fieldbus -väylässä ja johtaa itse asiassa point-to-point-topologiaan, jolloin kun liitetään suuri määrä kenttälaitteita, järjestelmä on jaettava useisiin segmentteihin. Tämä menetelmä rajoittaa myös merkittävästi pääkaapelin ja haarojen pituutta.
FISCO-konseptin kehitti "Saksan kansallinen metrologinen instituutti", ja se sisällytettiin myöhemmin IEC-standardeihin ja sitten GOSTiin. Kenttäverkon luontaisen turvallisuuden varmistamiseksi konseptissa käytetään tietyt rajoitukset täyttäviä komponentteja. Samanlaiset rajoitukset on muotoiltu teholähteille lähtötehon suhteen, kenttälaitteille tehonkulutuksen ja induktanssin suhteen, kaapeleille resistanssin, kapasitanssin ja induktanssin osalta. Tällaiset rajoitukset johtuvat siitä, että kapasitiiviset ja induktiiviset elementit voivat kerätä energiaa, joka hätätilassa järjestelmän minkä tahansa elementin vaurioituessa voi vapautua ja aiheuttaa kipinäpurkauksen. Lisäksi konsepti kieltää redundanssin käytön väylän sähköjärjestelmässä.
FISCO tarjoaa suuremman virran laitteiden virransyöttöön vaarallisilla alueilla verrattuna kenttäsulkumenetelmään. Täältä löytyy 115 mA, jolla voidaan syöttää 4-5 laitetta segmentissä. Pääkaapelin ja haarojen pituudelle on kuitenkin myös rajoituksia.
High Power Trunk -tekniikka on tällä hetkellä yleisin luontainen turvallisuustekniikka Foundation Fieldbus -verkoissa, koska sillä ei ole haittoja, joita on estesuojatuissa verkoissa tai FISCO-verkoissa. HPT:n avulla on mahdollista saavuttaa verkkosegmentin kenttälaitteiden raja.
Tekniikka ei rajoita verkon sähköisiä parametreja siellä, missä se ei ole välttämätöntä, esimerkiksi runkoverkon tietoliikennelinjalla, jossa ei ole tarvetta huoltoon ja laitteiden vaihtoon. Räjähdysvaarallisella alueella sijaitsevien kenttälaitteiden liittämiseen käytetään kenttäesteiden toiminnallisia rajapintalaitteita, jotka rajoittavat verkon sähköisiä parametreja anturien virransyöttöä varten ja sijaitsevat suoraan ohjausobjektin vieressä. Tässä tapauksessa räjähdyssuojaustyyppiä Ex e (lisätty suojaus) käytetään koko segmentissä.
Lähde: will.com