Foundation Fieldbus est un système de communication numérique utilisé dans l'automatisation, aux côtés d'autres comme Profibus, Modbus ou HART. La technologie a été introduite légèrement après ses concurrentes : la première version de la norme date de 1996 et inclut actuellement deux protocoles d'échange d'informations entre les participants du réseau – H1 et HSE (High Speed Ethernet).
Le protocole H1 est utilisé pour l'échange d'informations au niveau des capteurs et des contrôleurs, et son réseau est basé sur la norme de niveau physique IEC 61158-2, permettant un taux de transmission de données de 31,25 kbit/s. L'alimentation des appareils de terrain peut être fournie par le bus de transmission de données. Le réseau HSE est basé sur des réseaux Ethernet à haute vitesse (100/1000 Mbit/s) et est utilisé pour construire des réseaux de systèmes de contrôle-commande au niveau des contrôleurs et des systèmes de gestion d'entreprise.
La technologie est applicable pour construire des systèmes de contrôle-commande dans n'importe quel type d'installation industrielle, mais elle est particulièrement répandue dans les entreprises des secteurs pétrolier et gazier ainsi que de la chimie.
Les capacités de la technologie
Foundation Fieldbus a été développée comme une alternative au modèle traditionnel des systèmes de contrôle automatisés basés sur des capteurs analogiques et a obtenu plusieurs avantages par rapport au modèle traditionnel ainsi que par rapport aux systèmes numériques basés sur Profibus ou HART.
Un des principaux avantages réside dans le haut degré de fiabilité et de tolérance aux pannes des systèmes H1, ce qui est atteint grâce à deux facteurs :
- l'utilisation d'appareils intelligents (capteurs et actionneurs) au niveau de terrain ;
- la possibilité de faire de l'échange d'informations directement entre les appareils de terrain sans l'intervention du contrôleur.
L'intelligence des appareils de terrain réside dans la possibilité d'incorporer des algorithmes de gestion et de traitement de l'information, qui sont traditionnellement réalisés dans le contrôleur. En pratique, cela permet au système de continuer à fonctionner même en cas de défaillance du contrôleur. Pour cela, il est nécessaire que les appareils de terrain soient configurés en conséquence et qu'un système d'alimentation électrique fiable pour le bus de terrain soit assuré.
Les avantages supplémentaires résultant de la numérisation des systèmes de gestion et de l'utilisation de capteurs intelligents se traduisent par la possibilité d'obtenir une plus grande quantité de données, au-delà des simples mesures, de chaque appareil de terrain, ce qui élargit finalement le champ d'observation du processus, qui dans les systèmes analogiques traditionnels est limité par le système d'entrée-sortie des signaux.
L'utilisation d'une topologie en bus dans le réseau H1 permet de réduire la longueur des lignes de câbles, le volume des travaux de montage, d'éliminer le besoin d'équipements supplémentaires dans les systèmes de gestion : modules d'entrée-sortie, sources d'alimentation et, dans les zones dangereuses, de barrières de protection contre les étincelles.
Le H1 permet l'utilisation de câbles de communication pour capteurs de 4-20 mA, ce qui peut être utilisé pour moderniser les anciens systèmes de gestion. Grâce à l'application des principes de sécurité contre les étincelles, la technologie est activement utilisée dans des environnements dangereux. La normalisation garantit également l'interchangeabilité et la compatibilité des équipements de différents fabricants, et grâce aux dispositifs passerelles, il est possible de relier le réseau des appareils de terrain au réseau des systèmes de contrôle de processus basés sur Ethernet.
La norme Foundation Fieldbus H1 présente les plus grandes similitudes avec les systèmes Profibus PA. Les deux technologies reposent sur le même standard de couche physique, les vitesses de transmission des données, l'utilisation du codage Manchester, les paramètres électriques des lignes de communication, la quantité de puissance pouvant être transmise et la longueur maximale de câble dans le segment du réseau (1900 m) sont donc identiques pour ces systèmes. De plus, dans les deux systèmes, il est possible d'utiliser jusqu'à 4 répéteurs, ce qui permet à la longueur du segment d'atteindre jusqu'à 9,5 km. Les topologies de réseau potentielles dans le système de gestion et les principes de sécurité contre les étincelles sont également communs.
Composants du système
Les éléments principaux du réseau Foundation Fieldbus H1 sont :
- contrôleur de système de contrôle décentralisé (DCS);
- sources d'alimentation de bus de terrain;
- dispositifs de couplage en blocs ou modulaires;
- terminateurs de bus;
- appareils de terrain intelligents.
Le système peut également inclure des dispositifs passerelles (Linking Device), des convertisseurs de protocoles, des dispositifs de protection contre les surtensions et des répéteurs.
Topologie du réseau
Un concept clé dans le réseau H1 est le segment. Il représente une ligne de communication principale (Trunk), avec des dérivations (Spur) qui se connectent aux appareils de terrain. Le câble principal commence à la source d'alimentation du bus et se termine généralement au dernier appareil de couplage. Quatre types de topologies sont autorisés pour la connexion du contrôleur aux appareils de terrain : point à point, bus, anneau et arbre. Chaque segment peut être construit en utilisant soit une topologie distincte, soit une combinaison de celles-ci.
Lors de l'utilisation d'une topologie point à point, chaque appareil de terrain est connecté directement au contrôleur. Dans ce cas, chaque appareil de terrain connecté forme son propre segment de réseau. Cette topologie est peu pratique car elle prive le système de presque tous les avantages intégrés dans le Foundation Fieldbus. Trop d'interfaces sont utilisées sur le contrôleur, et pour alimenter les appareils de terrain à partir du bus de données, chaque ligne de communication doit disposer de sa propre source d'alimentation. La longueur des lignes de communication devient trop grande, et les échanges d'informations entre les appareils se font uniquement par l'intermédiaire du contrôleur, ce qui empêche l'utilisation du principe de haute résilience des systèmes H1.
La topologie en anneau implique une connexion séquentielle des appareils de terrain entre eux. Tous les appareils de terrain sont regroupés en un seul segment, ce qui permet d'utiliser moins de ressources. Cependant, cette topologie présente également des inconvénients – il est d'abord nécessaire de prévoir des méthodes permettant qu'une défaillance d'un capteur intermédiaire ne provoque pas une coupure de communication avec les autres. Un autre inconvénient réside dans le manque de protection contre les courts-circuits dans la ligne de communication, rendant impossible l'échange d'informations dans le segment.
Les deux autres topologies de réseau, à savoir la topologie en bus et la topologie en arbre, sont les plus fiables et pratiques, et ont donc trouvé la plus large application dans les réseaux H1. Ces topologies reposent sur l'utilisation de dispositifs de couplage pour connecter les appareils de terrain à la ligne de communication principale. Les dispositifs de couplage permettent à chaque appareil de terrain de se connecter à son propre interface.
Paramètres du réseau
Les questions importantes lors de la construction d'un réseau H1 concernent ses paramètres physiques : combien d'appareils de terrain peuvent être utilisés dans un segment, quelle est la longueur maximale d'un segment, quelle est la longueur des dérivations. Les réponses à ces questions dépendent du type d'alimentation et de la consommation d'énergie des appareils de terrain, et pour les objets exposés au risque d'explosion, des méthodes d'assurance de la sécurité anti-étincelle.
Le nombre maximal d'appareils de terrain dans un segment (32) ne peut être atteint que s'ils sont alimentés par des sources locales sur place et en l'absence de dispositifs garantissant la sécurité anti-étincelle. Lors de l'alimentation des capteurs et des actionneurs par le bus de données, ce nombre maximal ne peut être que de 12 ou moins, selon les méthodes de garantie de la sécurité anti-étincelle.
Dépendance du nombre d’appareils de terrain au mode d’alimentation et aux méthodes d’assurance de la sécurité anti-étincelle.
La longueur du segment de réseau est déterminée par le type de câble utilisé. La longueur maximale de 1900 m est atteinte avec un câble de type A (paire torsadée blindée). Avec un câble de type D (câble multibrin non torsadé avec blindage commun), la longueur maximale est seulement de 200 m. La longueur d'un segment est définie comme la somme des longueurs du câble principal et de toutes ses dérivations.
Dépendance de la longueur du segment au type de câble.
La longueur des dérivations dépend du nombre d'appareils du segment de réseau. Ainsi, pour un nombre d'appareils jusqu'à 12, la longueur maximale est de 120 m. En utilisant 32 appareils dans le segment, la longueur maximale des dérivations est seulement de 1 m. Lors de la connexion des appareils de terrain en série, chaque appareil supplémentaire réduit la longueur de la dérivation de 30 m.
Dépendance de la longueur des dérivations du câble principal au nombre d'appareils de terrain dans le segment.
Tous ces facteurs influencent directement la structure et la topologie du système. Pour accélérer le processus de conception du réseau, des logiciels spéciaux sont utilisés, tels que DesignMate de l'organisation FieldComm Group ou Fieldbus Network Planner de l'entreprise Phoenix Contact. Ces programmes permettent de calculer les paramètres physiques et électriques du réseau H1, en tenant compte de toutes les limitations possibles.
Fonction des composants du système
contrôleur
La tâche du contrôleur est d'exécuter les fonctions de l'Active Link Scheduler (LAS) – le dispositif principal qui gère le réseau par l'envoi de messages de service. Le LAS initie l'échange d'informations entre les participants du réseau par des messages planifiés (selon un calendrier) ou non planifiés, effectue le diagnostic et la synchronisation de tous les dispositifs.
De plus, le contrôleur est responsable de l'adressage automatique des dispositifs de terrain, agissant comme un dispositif passerelle, fournissant une interface Ethernet pour la communication avec le niveau supérieur du système de contrôle basé sur le Foundation Fieldbus HSE ou un autre protocole de communication. Pour le niveau supérieur du système, le contrôleur fournit des fonctions de surveillance et de gestion du côté de l'opérateur, ainsi que des fonctions de configuration distante des dispositifs de terrain.
Il peut y avoir plusieurs Active Link Schedulers dans le réseau, garantissant la redondance des fonctions qui y sont intégrées. Dans les systèmes modernes, les fonctions LAS peuvent être réalisées dans un dispositif passerelle agissant comme convertisseur de protocoles pour des systèmes de contrôle reposant sur un standard différent de celui de Foundation Fieldbus HSE.
Alimentations de bus de terrain
Le système d'alimentation dans un réseau H1 joue un rôle clé, car pour permettre l'échange d'informations dans le câble de transmission de données, une tension entre 9 et 32 V en courant continu doit être maintenue. Que les dispositifs de terrain soient alimentés par le bus de transmission de données ou par des sources d'alimentation sur site, le réseau nécessite des alimentations pour le bus.
Par conséquent, leur fonction principale est de maintenir les paramètres électriques requis sur le bus, ainsi que d'alimenter les appareils connectés au réseau. Contrairement aux blocs d'alimentation ordinaires, les alimentations de bus se distinguent par l'impédance appropriée de leur circuit de sortie aux fréquences de transmission des données. Si nous utilisons directement des blocs d'alimentation de 12 ou 24 V pour alimenter le réseau H1, le signal sera perdu et l'échange d'informations sur le bus sera impossible.
Alimentations réservées du bus de terrain FB-PS (assemblage pour 4 segments).
Étant donné l'importance d'assurer une alimentation fiable du bus, les alimentations de chaque segment du réseau peuvent être réservées. Les alimentations FB-PS de Phoenix Contact prennent en charge la technologie d'équilibrage automatique de la charge de courant (Auto Current Balancing). L'ACB permet une charge symétrique entre les alimentations, ce qui améliore leur régime thermique et, en fin de compte, prolonge leur durée de vie.
Le système d'alimentation du réseau H1 se trouve généralement dans l'armoire du contrôleur.
Dispositifs de couplage
Les dispositifs de couplage sont destinés à connecter un groupe d'appareils de terrain au bus de données. Ils sont divisés en deux types en fonction des fonctions réalisées : modules de protection de segment (Segment Protectors) et barrières de terrain (Field Barriers).
Quel que soit le type, les dispositifs de couplage protègent le réseau des courts-circuits et des surcharges en courant dans les lignes sortantes. En cas de court-circuit, le dispositif de couplage bloque le port d'interface, empêchant la propagation du court-circuit dans le système et garantissant ainsi l'échange d'informations entre les autres appareils du réseau. Après la suppression du court-circuit sur la ligne, le port de communication précédemment bloqué reprend son fonctionnement.
Les barrières de terrain fournissent en outre une isolation galvanique entre les circuits non sûrs de la ligne de bus et les circuits sécurisés des appareils de terrain connectés (dérivations).
Les dispositifs de couplage physiques se déclinent également en deux types : en version bloc et modulaire. Les dispositifs de couplage bloc type FB-12SP, dotés d'une fonction de protection de segment, permettent de connecter des dispositifs de terrain en Zone 2 avec des circuits de sécurité intrinsèque IC, tandis que les barrières de terrain FB-12SP ISO permettent de connecter des dispositifs en Zones 1 et 0 avec des circuits de sécurité intrinsèque IA.
Les dispositifs de couplage FB-12SP et FB-6SP de Phoenix Contact.
Un des avantages des dispositifs modulaires est la possibilité d'évoluer le système en choisissant le nombre de canaux nécessaires pour connecter les dispositifs de terrain. De plus, les dispositifs modulaires permettent de créer des structures flexibles. Dans un même tableau de distribution, il est possible de combiner des modules de protection de segment et des barrières de terrain, ce qui signifie qu'il est possible de connecter des dispositifs de terrain situés dans différentes zones de danger à partir d'un seul tableau. Au total, jusqu'à 12 modules à deux canaux FB-2SP ou des modules à un canal de barrières FB-ISO peuvent être installés sur un seul bus, permettant de connecter ainsi jusqu'à 24 dispositifs de terrain en Zone 2 ou jusqu'à 12 capteurs en Zones 1 ou 0.
Les dispositifs de couplage peuvent fonctionner dans une large plage de températures et sont installés dans des enveloppes étanches à explosion Ex e, Ex d avec un degré de protection contre la poussière et l'humidité d'au moins IP54, y compris au plus proche de l'objet de contrôle.
Dispositifs de protection contre les surtensions.
Les réseaux de niveau de terrain H1 peuvent former des segments très longs, et les lignes de communication peuvent passer à des endroits où des surtensions peuvent se produire. Par surtensions, on entend la différence de potentiel induite, causée par des décharges électriques ou des courts-circuits dans les lignes de câbles voisines. La tension induite, dont l'amplitude est de l'ordre de plusieurs kilovolts, provoque des courants de décharge de plusieurs kiloampères. Tous ces phénomènes se produisent en quelques microsecondes, mais peuvent entraîner des pannes des composants du réseau H1. Pour protéger l'équipement contre de tels phénomènes, il est nécessaire d'utiliser des dispositifs de protection contre les surtensions (UPS). L'utilisation de dispositifs de protection contre les surtensions plutôt que de bornes de passage ordinaires garantit un fonctionnement fiable et sûr du système dans des conditions défavorables.
Son principe de fonctionnement repose sur l'utilisation d'un quasi-court-circuit dans la gamme de nanosecondes pour le passage des courants de décharge dans un circuit utilisant des éléments capables de supporter des courants de cette magnitude.
Il existe de nombreuses variétés de parafoudres : monofonctionnels, bifonctionnels, avec des connecteurs interchangeables, et avec différents types de diagnostic - sous forme de clignoteur ou de contact sec. Les outils de diagnostic modernes de Phoenix Contact permettent de surveiller les parafoudres en utilisant des services numériques basés sur Ethernet. Des appareils certifiés pour une utilisation dans des environnements explosifs, y compris dans les systèmes Foundation Fieldbus, sont fabriqués dans l'usine de l'entreprise en Russie.
Terminaison du bus
Le terminateur remplit deux fonctions dans le réseau : il court-circuite le courant du bus de terrain causé par la modulation du signal et empêche la réflexion du signal aux extrémités de la ligne principale, évitant ainsi l'apparition de bruits et de jitter (fluctuation de phase du signal numérique). Ainsi, le terminateur permet d'éviter l'apparition de données inexactes dans le réseau ou même la perte de données.
Chaque segment du réseau H1 doit impérativement avoir deux terminateurs, à chaque extrémité du segment. Les alimentations du bus et les dispositifs de couplage Phoenix Contact sont fournis avec des terminateurs désactivables. La présence de terminateurs supplémentaires dans le réseau, par exemple, en cas d'erreur, réduira considérablement le niveau du signal dans la ligne d'interface.
Échange d'informations entre les segments
L'échange d'informations entre les dispositifs de terrain ne se limite pas à un seul segment, il est possible entre différents segments du réseau, qui peuvent être connectés via un contrôleur ou un réseau d'entreprise basé sur Ethernet. Le protocole Foundation Fieldbus HSE ou, plus communément, Modbus TCP peut être utilisé.
Lors de la construction d'un réseau HSE, des commutateurs industriels sont utilisés. Le protocole permet la redondance en anneau. Dans ce cas, il convient de rappeler que dans une topologie en anneau, les commutateurs doivent utiliser l'un des protocoles de redondance (RSTP, MRP ou Extended Ring Redundancy) en fonction de la taille et du temps de convergence requis du réseau en cas de rupture des liaisons de communication.
L'intégration des systèmes basés sur HSE avec des systèmes tiers est possible grâce à la technologie OPC.
Méthodes de sécurité contre les explosions
Pour créer un système anti-explosion, il ne suffit pas de se baser uniquement sur les caractéristiques de sécurité des équipements et sur le choix de leur emplacement sur le site. Dans le cadre du système, chaque appareil ne fonctionne pas de manière autonome, mais opère dans un réseau commun. Dans les réseaux Foundation Fieldbus H1, l'échange d'informations entre des dispositifs situés dans différentes zones dangereuses n'entraîne pas seulement le transfert de données, mais aussi le transfert d'énergie électrique. La quantité d'énergie autorisée dans une zone peut être inacceptable dans une autre. Par conséquent, pour évaluer la sécurité anti-explosion des réseaux de terrain et choisir la méthode optimale de sécurité, une approche systémique est utilisée. Parmi ces méthodes, les méthodes de sécurité par barrière à étincelles sont les plus répandues.
Actuellement, plusieurs méthodes de sécurité contre les étincelles existent pour les bus de terrain : la méthode traditionnelle des barrières anti-étincelles, le concept FISCO, et la technologie High Power Trunk (HPT).
La première repose sur l'utilisation de barrières anti-étincelles et met en œuvre un concept éprouvé qui était utilisé dans les systèmes de contrôle basés sur des signaux analogiques 4-20 mA. Cette méthode est simple et fiable, mais limite l'alimentation des dispositifs de terrain dans les zones dangereuses 0 et 1 à 80 mA. Dans ce cas, selon une prévision optimiste, il est possible de connecter pas plus de 4 dispositifs de terrain sur un segment avec une consommation de 20 mA, mais en pratique, pas plus de 2. Cela entraîne la perte de tous les avantages offerts par le Foundation Fieldbus et conduit en fait à une topologie point à point, nécessitant de diviser le système en plusieurs segments pour connecter un grand nombre de dispositifs de terrain. De plus, cette méthode limite considérablement la longueur des câbles principaux et des dérivations.
Le concept FISCO a été développé par l'Institut national de métrologie d'Allemagne et a ensuite été intégré aux normes IEC, puis à la norme GOST. Pour garantir la sécurité intrinsèque du réseau de terrain, le concept implique l'utilisation de composants répondant à certaines limitations. Ces limitations sont formulées pour les alimentations en fonction de la puissance de sortie, pour les appareils de terrain en fonction de la puissance consommée et de l'inductance, et pour les câbles en fonction de leur résistance, capacité et inductance. Ces restrictions sont liées au fait que les éléments capacitifs et inductifs peuvent accumuler de l'énergie qui, en mode défaillance, en cas de dommage à un élément du système, peut être libérée et provoquer des décharges électriques. De plus, le concept interdit l'utilisation de redondances dans le système d'alimentation du bus.
FISCO fournit un courant plus élevé pour alimenter les appareils dans les zones dangereuses par rapport à la méthode des barrières de champ. Ici, 115 mA sont disponibles, ce qui permet d'alimenter 4 à 5 appareils dans un segment. Cependant, il existe également des limitations concernant la longueur du câble principal et des branchements.
La technologie High Power Trunk est actuellement la technologie la plus couramment utilisée pour assurer la sécurité intrinsèque dans les réseaux Foundation Fieldbus, car elle ne présente pas les inconvénients des réseaux protégés par des barrières ou construits selon le FISCO. Grâce à l'utilisation de HPT, il est possible d'atteindre la valeur limite des appareils de terrain dans le segment du réseau.
La technologie ne limite pas les paramètres électriques du réseau là où cela n'est pas nécessaire, par exemple, sur la ligne de communication principale, où il n'est pas nécessaire d'entretenir ou de remplacer le matériel. Pour connecter des appareils de terrain situés dans des zones dangereuses, on utilise des dispositifs de couplage avec des fonctionnalités de barrières de champ, qui limitent les paramètres électriques du réseau pour alimenter les capteurs et se trouvent directement à côté de l'objet de contrôle. Dans ce cas, une protection de type Ex e (protection renforcée) est utilisée sur toute la longueur du segment.
Source : habr.com
