Foundation Fieldbus est un système de communication numérique utilisé en automatisation avec Profibus, Modbus ou HART. La technologie est apparue un peu plus tard que ses concurrents : la première édition de la norme remonte à 1996 et comprend actuellement deux protocoles d'échange d'informations entre les participants au 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 couche physique CEI 61158-2, permettant un débit de transfert de données de 31,25 kbit/s. Dans ce cas, il est possible d'alimenter les appareils de terrain à partir du bus de données. Le réseau HSE est basé sur des réseaux Ethernet à haut débit (100/1000 Mbit/s) et est utilisé pour construire un réseau de systèmes de contrôle de processus automatisés au niveau des contrôleurs et des systèmes de gestion d'entreprise.
La technologie est applicable à la construction de systèmes de contrôle de processus automatisés pour toutes les installations industrielles, mais elle est plus répandue dans les entreprises de l'industrie pétrolière et gazière et de l'industrie chimique.
Capacités technologiques
Foundation Fieldbus a été développé comme alternative au modèle traditionnel de systèmes de contrôle automatisés basés sur des capteurs analogiques et présente de nombreux avantages par rapport au modèle traditionnel et aux systèmes numériques basés sur Profibus ou HART.
L'un des principaux avantages est le haut degré de fiabilité et de tolérance aux pannes des systèmes. H1, qui est obtenu grâce à deux facteurs :
- utilisation de dispositifs intelligents (capteurs et actionneurs) sur le terrain ;
- la possibilité d'organiser l'échange d'informations directement entre les appareils sur le terrain sans la participation d'un contrôleur.
L’intelligence des appareils de terrain réside dans leur capacité à mettre en œuvre des algorithmes de contrôle et de traitement de l’information traditionnellement implémentés dans le contrôleur. En pratique, cela permet au système de continuer à fonctionner même en cas de panne du contrôleur. Cela nécessite que les appareils de terrain soient configurés de manière appropriée et qu'une alimentation fiable du bus de terrain soit fournie.
Les avantages supplémentaires découlant de la numérisation du système de contrôle et de l'utilisation de capteurs intelligents incluent la possibilité d'obtenir davantage de données au-delà des mesures de chaque appareil de terrain, élargissant ainsi la portée de la surveillance des processus qui, dans les systèmes analogiques traditionnels, est limitée au système d'entrée/sortie de signal. . .
L'utilisation de la topologie de bus dans le réseau H1 permet de réduire la longueur des lignes de câbles, la quantité de travaux d'installation et d'éliminer l'utilisation d'équipements supplémentaires dans les systèmes de contrôle : modules d'entrée/sortie, alimentations et dans les zones dangereuses - étincelle barrières de protection.
Le H1 permet l'utilisation de câbles de communication de capteur 4-20 mA, qui peuvent être utilisés lors de la mise à niveau d'anciens systèmes de contrôle. Grâce à l'utilisation de principes de sécurité intrinsèque, la technologie est activement utilisée dans des environnements explosifs. La standardisation elle-même garantit l'interchangeabilité et la compatibilité des équipements de différents fabricants, et grâce aux dispositifs de passerelle, il est possible d'interfacer un réseau d'appareils de terrain et un réseau de systèmes de contrôle industriel d'entreprises construits sur Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 est le plus similaire aux systèmes Profibus PA. Les deux technologies sont basées sur la même norme de couche physique, de sorte que ces systèmes ont les mêmes taux de transfert de données, l'utilisation du codage Manchester, les paramètres électriques de la ligne de communication, la quantité de puissance transmise possible et la longueur de câble maximale autorisée dans un réseau. segment (1900 m). De plus, dans les deux systèmes, il est possible d'utiliser jusqu'à 4 répéteurs, grâce à quoi la longueur du segment peut déjà atteindre 9,5 km. Les topologies de réseau possibles dans le système de contrôle, ainsi que les principes permettant de garantir la sécurité intrinsèque, sont courants.
Composants du système
Les principaux éléments du réseau Foundation Fieldbus H1 sont :
- contrôleur de système de contrôle décentralisé (DCS);
- alimentations pour bus de terrain ;
- dispositifs d'interface bloc ou modulaires ;
- terminaisons de bus;
- appareils de terrain intelligents.
Le système peut également contenir des dispositifs de passerelle (Linking Device), des convertisseurs de protocole, des SPD et des répéteurs.
Topologie du réseau
Une notion importante dans le réseau H1 est la notion de segment. Il s'agit d'une ligne de communication principale (Trunk), à partir de laquelle partent des branches (Spur), à laquelle les appareils de terrain sont connectés. Le câble principal commence à la source d'alimentation du bus et se termine généralement au dernier périphérique d'interface. Quatre types de topologie sont autorisés pour la communication entre le contrôleur et les appareils de terrain : point à point, boucle, bus et arborescence. Chaque segment peut être construit soit à l'aide d'une topologie distincte, soit à l'aide de leurs combinaisons.
Avec 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 inhérents à Foundation Fieldbus. Il y a trop d'interfaces 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 alimentation de bus de terrain. La longueur des lignes de communication s'avère trop longue et l'échange d'informations entre appareils s'effectue uniquement via le contrôleur, ce qui ne permet pas d'utiliser le principe de tolérance élevée aux pannes des systèmes H1.
La topologie en boucle implique une connexion en série des appareils de terrain entre eux. Ici, 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 : tout d'abord, il est nécessaire de prévoir des méthodes dans lesquelles la défaillance de l'un des capteurs intermédiaires n'entraînera pas une perte de communication avec les autres. Un autre inconvénient s'explique par le manque de protection contre un court-circuit dans la ligne de communication, dans lequel l'échange d'informations dans le segment sera impossible.
Deux autres topologies de réseau sont les plus fiables et pratiques : la topologie en bus et en arborescence, qui ont trouvé la plus grande diffusion dans la pratique lors de la construction de réseaux H1. L'idée derrière ces topologies est d'utiliser des périphériques d'interface pour connecter des appareils de terrain au backbone. Les dispositifs de couplage permettent de connecter chaque appareil de terrain à sa propre interface.
Paramètres réseau
Les questions importantes lors de la construction d'un réseau H1 sont 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 branches. La réponse à ces questions dépend du type d'alimentation électrique et de la consommation d'énergie des appareils de terrain ainsi que, pour les zones dangereuses, des méthodes permettant d'assurer la sécurité intrinsèque.
Le nombre maximum d'appareils de terrain dans un segment (32) ne peut être atteint que s'ils sont alimentés par des sources locales sur site et si la sécurité intrinsèque n'est pas disponible. Lors de l'alimentation de capteurs et d'actionneurs à partir du bus de données, le nombre maximum d'appareils ne peut être que de 12 ou moins en fonction des méthodes de sécurité intrinsèque.
Dépendance du nombre d'appareils de terrain sur la méthode d'alimentation électrique et les méthodes permettant d'assurer la sécurité intrinsèque.
La longueur du segment de réseau est déterminée par le type de câble utilisé. La longueur maximale de 1900 m est atteinte en utilisant un câble de type A (paire torsadée avec blindage). Lors de l'utilisation d'un câble de type D (câble multiconducteur non torsadé avec blindage commun) - seulement 200 M. La longueur d'un segment s'entend comme la somme des longueurs du câble principal et de toutes ses branches.
Dépendance de la longueur du segment en fonction du type de câble.
La longueur des branches dépend du nombre d'appareils dans le segment de réseau. Ainsi, avec un nombre d'appareils allant jusqu'à 12, cela représente un maximum de 120 M. Lors de l'utilisation de 32 appareils dans un segment, la longueur maximale des branches ne sera que de 1 M. Lors de la connexion d'appareils de terrain avec une boucle, chaque appareil supplémentaire réduit la longueur de la branche de 30 m.
Dépendance de la longueur des dérivations du câble principal sur le nombre d'appareils de terrain dans le segment.
Tous ces facteurs affectent directement la structure et la topologie du système. Pour accélérer le processus de conception du réseau, des progiciels spéciaux sont utilisés, tels que DesignMate du groupe FieldComm ou Fieldbus Network Planner de Phoenix Contact. Les programmes permettent de calculer les paramètres physiques et électriques du réseau H1 en tenant compte de toutes les restrictions possibles.
Objectif des composants du système
Contrôleur
La tâche du contrôleur est de mettre en œuvre les fonctions du Link Active Scheduler (LAS), le principal appareil qui gère le réseau en envoyant des messages de service. LAS initie l'échange d'informations entre les participants au réseau avec des messages planifiés (programmés) ou non planifiés, diagnostique et synchronise tous les appareils.
De plus, le contrôleur est responsable de l'adressage automatique des appareils de terrain et agit comme un périphérique de passerelle, fournissant une interface Ethernet pour la communication avec le niveau supérieur du système de contrôle basé sur Foundation Fieldbus HSE ou un autre protocole de communication. Au niveau supérieur du système, le contrôleur fournit des fonctions de surveillance et de contrôle à l'opérateur, ainsi que des fonctions de configuration à distance des appareils de terrain.
Il peut y avoir plusieurs Active Link Schedulers dans le réseau, garantissant la redondance des fonctions qui y sont embarquées. Dans les systèmes modernes, les fonctions LAS peuvent être implémentées dans un dispositif de passerelle qui agit comme un convertisseur de protocole pour les systèmes de contrôle construits sur une norme autre que Foundation Fieldbus HSE.
Alimentations pour bus de terrain
Le système d'alimentation électrique du réseau H1 joue un rôle clé, car pour que l'échange de données soit possible, la tension dans le câble de données doit être maintenue dans la plage de 9 à 32 V DC. Que les appareils de terrain soient alimentés par le bus de données ou par des alimentations de terrain, le réseau nécessite des alimentations de bus.
Par conséquent, leur objectif principal est de maintenir les paramètres électriques requis sur le bus, ainsi que d'alimenter les appareils connectés au réseau. Les alimentations de bus diffèrent des alimentations conventionnelles dans la mesure où elles ont une impédance de circuit de sortie correspondante aux fréquences de transmission de données. Si vous utilisez directement des alimentations 1 ou 12 V pour alimenter le réseau H24, le signal sera perdu et l'échange d'informations sur le bus ne sera pas possible.
Alimentations redondantes pour bus de terrain FB-PS (ensemble pour 4 segments).
Compte tenu de l'importance de fournir une alimentation de bus fiable, les alimentations électriques de chaque segment de réseau peuvent être redondantes. Les alimentations Phoenix Contact FB-PS prennent en charge la technologie Auto Current Balancing. L'ASV fournit une charge symétrique entre les sources d'alimentation, ce qui a un effet bénéfique sur leurs conditions de température et conduit finalement à une augmentation de leur durée de vie.
Le système d'alimentation H1 est généralement situé dans l'armoire du contrôleur.
Périphériques d'interface
Les dispositifs de couplage sont conçus pour connecter un groupe d'appareils de terrain au bus de données principal. En fonction des fonctions qu'ils remplissent, ils sont divisés en deux types : les modules de protection de segment (Segment Protectors) et les barrières de champ (Field Barriers).
Quel que soit leur type, les dispositifs d'interface protègent le réseau des courts-circuits et des surintensités dans les lignes sortantes. Lorsqu'un court-circuit se produit, le périphérique d'interface bloque le port d'interface, empêchant ainsi le court-circuit de se propager dans tout le système et garantissant ainsi l'échange d'informations entre d'autres périphériques du réseau. Après avoir éliminé le court-circuit sur la ligne, le port de communication précédemment bloqué recommence à fonctionner.
Les barrières de terrain assurent en outre une isolation galvanique entre les circuits non intrinsèquement sûrs du bus principal et les circuits intrinsèquement sûrs des appareils de terrain connectés (branches).
Physiquement, les dispositifs d'interface sont également de deux types : blocs et modulaires. Les dispositifs d'interface de bloc de type FB-12SP avec fonctionnalité de protection de segment vous permettent d'utiliser des circuits IC à sécurité intrinsèque pour connecter des appareils de terrain dans la zone 2, et les barrières de champ ISO FB-12SP vous permettent de connecter des appareils dans les zones 1 et 0 en utilisant une IA à sécurité intrinsèque. circuits.
Coupleurs FB-12SP et FB-6SP de Phoenix Contact.
L'un des avantages des appareils modulaires est la possibilité de faire évoluer le système en sélectionnant le nombre de canaux requis pour connecter les appareils de terrain. De plus, les dispositifs modulaires permettent la création de structures flexibles. Dans une armoire de distribution, il est possible de combiner des modules de protection de segment et des barrières de terrain, c'est-à-dire de connecter des appareils de terrain situés dans différentes zones à risque d'explosion à partir d'une même armoire. Au total, jusqu'à 12 modules FB-2SP à double canal ou modules de barrière FB-ISO à canal unique peuvent être installés sur un bus, connectant ainsi d'une armoire à 24 appareils de terrain en zone 2 ou jusqu'à 12 capteurs en zone 1 ou 0.
Les dispositifs d'interface peuvent fonctionner dans une large plage de températures et sont installés dans des boîtiers antidéflagrants Ex e, Ex d avec un degré de protection contre la poussière et l'humidité d'au moins IP54, y compris aussi près que possible de l'objet de contrôle.
Dispositifs de protection contre les surtensions
Les réseaux au niveau du terrain H1 peuvent former de très longs segments et les lignes de communication peuvent fonctionner dans des endroits où des surtensions sont possibles. Les surtensions impulsionnelles sont considérées comme des différences de potentiel induites par des décharges de foudre ou des courts-circuits dans des lignes de câbles à proximité. La tension induite, dont l'amplitude est de l'ordre de plusieurs kilovolts, provoque le flux de courants de décharge de plusieurs kiloampères. Tous ces phénomènes se produisent en quelques microsecondes, mais peuvent entraîner une défaillance des composants du réseau H1. Pour protéger les équipements de tels phénomènes, il est nécessaire d'utiliser un SPD. L'utilisation de SPD au lieu des terminaux de traversée conventionnels garantit un fonctionnement fiable et sûr du système dans des conditions défavorables.
Le principe de son fonctionnement repose sur l'utilisation d'un quasi-court-circuit de l'ordre de la nanoseconde pour la circulation des courants de décharge dans un circuit qui utilise des éléments capables de supporter la circulation de courants d'une telle ampleur.
Il existe un grand nombre de types de SPD : monocanal, double canal, avec fiches remplaçables, avec différents types de diagnostics - sous forme de clignotant, contact sec. Les outils de diagnostic de pointe de Phoenix Contact vous permettent de surveiller les parasurtenseurs à l'aide de services numériques basés sur Ethernet. L'usine de la société en Russie produit des appareils certifiés pour une utilisation dans des environnements explosifs, notamment les systèmes Foundation Fieldbus.
Terminaison de bus
Le terminateur remplit deux fonctions dans le réseau : il shunte le courant du bus de terrain, qui résulte de la modulation du signal et empêche la réflexion du signal depuis les extrémités de la ligne principale, empêchant ainsi l'apparition de bruit et de gigue (gigue de phase du signal numérique). Ainsi, le terminateur permet d'éviter l'apparition de données inexactes sur le réseau ou même la perte de données.
Chaque segment du réseau H1 doit avoir deux terminateurs à chaque extrémité du segment. Les alimentations et coupleurs de bus Phoenix Contact sont équipés de terminaisons commutables. La présence de terminateurs supplémentaires dans le réseau, par exemple en raison d'une erreur, réduira considérablement le niveau du signal dans la ligne d'interface.
Échange d'informations entre segments
L'échange d'informations entre les appareils de terrain ne se limite pas à un segment, mais est possible entre différentes sections du réseau, qui peuvent être connectées via un contrôleur ou un réseau d'installation basé sur Ethernet. Dans ce cas, le protocole Foundation Fieldbus HSE ou un protocole plus populaire, par exemple Modbus TCP, peut être utilisé.
Lors de la construction d’un réseau HSE, des commutateurs de qualité industrielle 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 du réseau requis lorsque les canaux de communication sont interrompus.
L'intégration de systèmes basés sur HSE avec des systèmes tiers est possible grâce à la technologie OPC.
Méthodes antidéflagrantes
Pour créer un système antidéflagrant, il ne suffit pas de se laisser guider uniquement par les caractéristiques antidéflagrantes de l'équipement et le choix de son emplacement correct sur le site. Au sein du système, chaque appareil ne fonctionne pas seul, mais au sein d’un seul réseau. Dans les réseaux Foundation Fieldbus H1, l'échange d'informations entre des appareils situés dans différentes zones dangereuses implique non seulement le transfert de données, mais également le transfert d'énergie électrique. La quantité d’énergie acceptable dans une zone peut ne pas l’être dans une autre. Par conséquent, pour évaluer la sécurité contre les explosions des réseaux de terrain et sélectionner la méthode optimale pour la garantir, une approche systématique est utilisée. Parmi ces méthodes, les méthodes permettant d'assurer la sécurité intrinsèque sont les plus utilisées.
Lorsqu'il s'agit de bus de terrain, il existe actuellement plusieurs façons d'atteindre la sécurité intrinsèque : la méthode traditionnelle de barrière IS, le concept FISCO et la technologie High Power Trunk (HPT).
Le premier est basé sur l'utilisation de barrières IS et met en œuvre un concept éprouvé qui a été utilisé dans les systèmes de contrôle basés sur des signaux analogiques 4-20 mA. Cette méthode est simple et fiable, mais limite l'alimentation électrique des appareils de terrain dans les zones dangereuses 0 et 1 à 80 mA. Dans ce cas, selon une prévision optimiste, il est possible de connecter au maximum 4 appareils de terrain par segment avec une consommation de 20 mA, mais en pratique pas plus de 2. Dans ce cas, le système perd tous les avantages qui existent dans Foundation Fieldbus et conduit en fait à une topologie point à point, alors que pour connecter un grand nombre d'appareils de terrain, le système doit être divisé en plusieurs segments. Cette méthode limite également considérablement la longueur du câble principal et des dérivations.
Le concept FISCO a été développé par « l’Institut national métrologique d’Allemagne » et a ensuite été inclus dans les normes CEI, puis dans GOST. Pour assurer la sécurité intrinsèque du réseau de terrain, le concept implique l'utilisation de composants répondant à certaines restrictions. Des restrictions similaires sont formulées pour les alimentations en termes de puissance de sortie, pour les appareils de terrain en termes de consommation électrique et d'inductance, pour les câbles en termes de résistance, de capacité et d'inductance. De telles restrictions sont dues au fait que les éléments capacitifs et inductifs peuvent accumuler de l'énergie qui, en mode d'urgence, en cas de dommage à un élément du système, peut être libérée et provoquer une décharge d'étincelles. De plus, le concept interdit l'utilisation de redondance 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 de barrière de champ. 115 mA sont disponibles ici, qui peuvent être utilisés pour alimenter 4 à 5 appareils du segment. Cependant, il existe également des restrictions sur la longueur du câble principal et des dérivations.
La technologie High Power Trunk est actuellement la technologie de sécurité intrinsèque la plus courante dans les réseaux Foundation Fieldbus car elle ne présente pas les inconvénients qui existent dans les réseaux protégés par barrière ou FISCO. Avec l'utilisation de HPT, il est possible d'atteindre la limite des appareils de terrain dans un segment de réseau.
La technologie ne limite pas les paramètres électriques du réseau là où cela n'est pas nécessaire, par exemple sur une ligne de communication fédérée, où il n'y a pas besoin de maintenance et de remplacement d'équipement. Pour connecter des appareils de terrain situés dans une zone explosive, des dispositifs d'interface dotés de la fonctionnalité de barrières de champ sont utilisés, qui limitent les paramètres électriques du réseau d'alimentation des capteurs et sont situés directement à côté de l'objet de contrôle. Dans ce cas, le type de protection contre les explosions Ex e (protection augmentée) est utilisé sur l'ensemble du segment.
Source: habr.com