Foundation Fieldbus is in digitaal kommunikaasjesysteem dat brûkt wurdt yn automatisearring tegearre mei Profibus, Modbus of HART. De technology ferskynde wat letter as syn konkurrinten: de earste edysje fan 'e standert datearret út 1996 en omfettet op it stuit twa protokollen foar ynformaasje-útwikseling tusken netwurkdielnimmers - H1 en HSE (High Speed Ethernet).
It H1-protokol wurdt brûkt foar ynformaasje-útwikseling op sensor- en controllernivo's, en it netwurk is basearre op 'e IEC 61158-2 fysike laach standert, wêrtroch in gegevensferfiersnelheid fan 31,25 kbit / s mooglik is. Yn dit gefal is it mooglik om te leverjen macht oan fjild apparaten út de gegevens bus. It HSE-netwurk is basearre op Ethernet-netwurken mei hege snelheid (100/1000 Mbit / s) en wurdt brûkt om in automatisearre proseskontrôlesysteemnetwurk te bouwen op it nivo fan controllers en bedriuwsbehearsystemen.
De technology is fan tapassing by de bou fan automatisearre proseskontrôlesystemen foar alle yndustriële foarsjenningen, mar it is it meast wiidferspraat by bedriuwen yn 'e oalje- en gassektor en de gemyske yndustry.
Technology mooglikheden
Foundation Fieldbus waard ûntwikkele as in alternatyf foar it tradisjonele model fan automatisearre kontrôlesystemen basearre op analoge sensoren en hat in oantal foardielen boppe sawol it tradisjonele model as digitale systemen basearre op Profibus of HART.
Ien fan 'e wichtichste foardielen is de hege graad fan betrouberens en fouttolerânsje fan systemen H1, dat wurdt berikt troch twa faktoaren:
- gebrûk fan yntelliginte apparaten (sensors en actuators) op fjildnivo;
- de mooglikheid om ynformaasje-útwikseling direkt te organisearjen tusken apparaten op fjildnivo sûnder de dielname fan in kontrôler.
De yntelliginsje fan fjildapparaten leit yn 'e mooglikheid om kontrôle- en ynformaasjeferwurkingsalgoritmen út te fieren dy't tradisjoneel yn' e controller ymplementearre wurde. Yn 'e praktyk lit dit it systeem trochgean mei operearjen sels as de kontrôler mislearret. Dit fereasket dat de fjildapparaten passend wurde konfigureare en dat in betroubere fjildbus-voeding foarsjoen wurdt.
Oanfoljende foardielen ôflaat fan digitalisearring fan it kontrôlesysteem en it brûken fan tûke sensoren omfetsje de mooglikheid om mear gegevens te krijen bûten mjitting fan elk fjildapparaat, úteinlik it útwreidzjen fan de omfang fan prosesmonitoring dy't yn tradisjonele analoge systemen beheind is ta it sinjaalynput / útfiersysteem ..
It gebrûk fan bustopology yn it H1-netwurk makket it mooglik om de lingte fan kabellinen te ferminderjen, de hoemannichte ynstallaasjewurk, en it brûken fan ekstra apparatuer yn kontrôlesystemen te eliminearjen: ynput-/útfiermodules, stroomfoarsjenningen en yn gefaarlike gebieten - spark beskerming barriêres.
De H1 lit it gebrûk meitsje fan 4-20 mA sensorkommunikaasjekabels, dy't kinne wurde brûkt by it opwurdearjen fan âldere kontrôlesystemen. Mei tank oan it gebrûk fan yntrinsike feiligensprinsipes wurdt de technology aktyf brûkt yn eksplosive omjouwings. Standerdisearring sels garandearret de wikselberens en kompatibiliteit fan apparatuer fan ferskate fabrikanten, en tank oan gateway-apparaten is it mooglik om in netwurk fan fjildapparaten en in yndustrieel kontrôlesysteemnetwurk fan bedriuwen boud op Ethernet te ferbinen.
Foundation Fieldbus H1 liket it meast op Profibus PA-systemen. Beide technologyen binne basearre op deselde fysike laach standert, dus dizze systemen hawwe deselde gegevens oerdracht tariven, it brûken fan Manchester kodearring, elektryske parameters fan de kommunikaasje line, it bedrach fan mooglike oerdroegen macht, en de maksimale tastiene kabel lingte yn in netwurk segment (1900 m). Ek yn beide systemen is it mooglik om te brûken oant 4 repeaters, wêrtroch't it segment lingte kin berikke 9,5 km. Mooglike netwurktopologyen yn it kontrôlesysteem, lykas prinsipes foar it garandearjen fan yntrinsike feiligens, binne mienskiplik.
Systeem komponinten
De wichtichste eleminten fan it Foundation Fieldbus H1 netwurk binne:
- desintralisearre kontrôlesysteem (DCS) controller;
- fieldbus macht foarrieden;
- blok of modulêre ynterface apparaten;
- bus terminators;
- yntelliginte fjild apparaten.
It systeem kin ek gateway-apparaten (Linking Device), protokolkonverters, SPD's en repeaters befetsje.
Netwurk topology
In wichtich konsept yn it H1 netwurk is it begryp segment. It is in haadkommunikaasjeline (Trunk), mei dêrút tûken (Spur), wêrmei't fjildapparaten ferbûn binne. De romp kabel begjint by de bus macht boarne en meastal einiget by de lêste ynterface apparaat. Fjouwer soarten topology binne tastien foar kommunikaasje tusken de controller en fjild apparaten: punt-to-punt, loop, bus en beam. Elk segmint kin boud wurde mei in aparte topology of mei har kombinaasjes.
Mei in punt-to-punt topology is elk fjildapparaat direkt ferbûn mei de controller. Yn dit gefal, elk ferbûn fjild apparaat foarmet in eigen netwurk segment. Dizze topology is ûngemaklik, om't it it systeem fan hast alle foardielen dy't yn 'e Foundation Fieldbus ynherinte ûntsnapt. Der binne tefolle ynterface op de controller, en om macht fjild apparaten út de gegevens bus, eltse kommunikaasje line moat hawwe in eigen fjild bus Netzteil. De lingte fan 'e kommunikaasjelinen blykt te lang te wêzen, en ynformaasje-útwikseling tusken apparaten wurdt allinich útfierd troch de kontrôler, dy't it prinsipe fan hege fouttolerânsje fan H1-systemen net mooglik makket.
De looptopology ymplisearret in serial ferbining fan fjild apparaten oan elkoar. Hjir wurde alle fjildapparaten kombineare yn ien segmint, wêrtroch it gebrûk fan minder boarnen mooglik is. Lykwols, dizze topology hat ek neidielen - earst fan alle, is it nedich om te foarsjen metoaden wêryn it mislearjen fan ien fan de tuskenlizzende sensoren sil net liede ta ferlies fan kommunikaasje mei de oaren. In oar nadeel wurdt ferklearre troch it ûntbrekken fan beskerming tsjin in koartsluting yn 'e kommunikaasjeline, wêryn ynformaasje-útwikseling yn it segmint ûnmooglik wêze sil.
Twa oare netwurktopologyen hawwe de grutste betrouberens en praktykens - bus- en beamtopology, dy't de grutste ferdieling yn 'e praktyk hawwe fûn by it bouwen fan H1-netwurken. It idee efter dizze topologyen is om ynterface-apparaten te brûken om fjildapparaten te ferbinen mei de rêchbonke. Coupling apparaten kinne elk fjild apparaat wurde ferbûn oan syn eigen ynterface.
Netwurk ynstellings
Wichtige fragen by it bouwen fan in H1-netwurk binne syn fysike parameters - hoefolle fjildapparaten kinne brûkt wurde yn in segmint, wat is de maksimale lingte fan in segmint, hoe lang kinne de tûken wêze. It antwurd op dizze fragen hinget ôf fan it type stroomfoarsjenning en enerzjyferbrûk fan fjildapparaten, en foar gefaarlike gebieten, de metoaden foar it garandearjen fan yntrinsike feiligens.
It maksimum oantal fjild apparaten yn in segmint (32) kin allinnich wurde berikt as se wurde oandreaun út lokale boarnen op site en as yntinsive feiligens is net beskikber. By it oandriuwen fan sensoren en actuators fan 'e gegevensbus, kin it maksimale oantal apparaten allinich 12 of minder wêze, ôfhinklik fan yntrinsike feiligensmetoaden.
Ofhinklikens fan it oantal fjildapparaten op 'e metoade foar enerzjyfoarsjenning en metoaden foar it garandearjen fan yntrinsike feiligens.
De lingte fan it netwurk segmint wurdt bepaald troch it type kabel brûkt. De maksimale lingte fan 1900 m wurdt berikt by it brûken fan type A kabel (twisted pear mei skyld). By it brûken fan kabel type D (net twisted multicore kabel mei in mienskiplik skyld) - mar 200 m. De lingte fan in segmint wurdt begrepen as de som fan 'e lingten fan' e haadkabel en alle tûken dêrfan.
Ofhinklikens fan segment lingte op kabel type.
De lingte fan 'e tûken hinget ôf fan it oantal apparaten yn it netwurksegment. Dus, mei it oantal apparaten oant 12, dit is in maksimum fan 120 m. By it brûken fan 32 apparaten yn in segmint, de maksimale lingte fan de tûken sil wêze mar 1 m. By it ferbinen fan fjild apparaten mei in lus, elk ekstra apparaat fermindert de lingte fan 'e tûke mei 30 m.
Ofhinklikens fan 'e lingte fan tûken fan' e haadkabel op it oantal fjildapparaten yn it segmint.
Al dizze faktoaren direkte ynfloed op de struktuer en topology fan it systeem. Om it proses fan netwurkûntwerp te fersnellen, wurde spesjale softwarepakketten brûkt, lykas DesignMate fan de FieldComm Group of Fieldbus Network Planner fan Phoenix Contact. De programma's kinne jo de fysike en elektryske parameters fan it H1-netwurk berekkenje, rekken hâldend mei alle mooglike beheiningen.
Doel fan systeemkomponinten
Controller
De taak fan de controller is om de funksjes fan 'e Link Active Scheduler (LAS) út te fieren, it haadapparaat dat it netwurk beheart troch tsjinstberjochten te ferstjoeren. LAS inisjearret ynformaasje útwikseling tusken netwurk dielnimmers mei plande (pland) of net plande berjochten, diagnoaze en syngronisearje alle apparaten.
Dêrneist is de controller ferantwurdlik foar automatyske adressering fan fjild apparaten en fungearret as in poarte apparaat, it bieden fan in Ethernet ynterface foar kommunikaasje mei it boppeste nivo fan de kontrôle systeem basearre op Stichting Fieldbus HSE of oare kommunikaasje protokol. Op it boppeste nivo fan it systeem, de controller jout operator tafersjoch en kontrôle funksjes, likegoed as funksjes foar remote konfiguraasje fan fjild apparaten.
D'r kinne ferskate Active Link Schedulers yn it netwurk wêze, en garandearje de redundânsje fan 'e funksjes yn har ynsletten. Yn moderne systemen kinne LAS funksjes wurde ymplemintearre yn in poarte apparaat dat fungearret as in protokol converter foar kontrôle systemen boud op in oare standert as Foundation Fieldbus HSE.
Fieldbus macht foarrieden
It stroomfoarsjenningssysteem yn it H1-netwurk spilet in wichtige rol, om't de gegevensútwikseling mooglik is, moat de spanning yn 'e datakabel yn it berik fan 9 oant 32 V DC bewarre wurde. Oft fjild apparaten wurde oandreaun troch de gegevens bus of troch fjild macht supplies, it netwurk fereasket bus macht foarrieden.
Dêrom is har haaddoel om de fereaske elektryske parameters op 'e bus te behâlden, en ek de apparaten dy't ferbûn binne mei it netwurk te bemachtigjen. Bus Netzteilen ferskille fan konvinsjonele macht foarrieden yn dat se hawwe in oerienkommende útfier circuit impedance by gegevens oerdracht frekwinsjes. As jo direkt brûke 1 of 12 V macht foarrieden foar macht it H24 netwurk, it sinjaal wurdt ferlern en ynformaasje útwikseling op de bus sil net mooglik.
Redundante fjildbus voeding FB-PS (gearstalling foar 4 segminten).
Sjoen it belang fan it leverjen fan betroubere busmacht, kinne de stroomfoarsjenningen foar elk netwurksegment oerstallich wêze. Phoenix Contact FB-PS macht foarrieden stypje Auto Current Balancing technology. ASV soarget foar in symmetryske lading tusken macht boarnen, dat hat in geunstich effekt op harren temperatuer omstannichheden en úteinlik liedt ta in ferheging fan harren tsjinst libben.
It H1-netwurksysteem sit typysk yn 'e kontrôlekast.
Ynterface apparaten
Koppelapparaten binne ûntwurpen om in groep fjildapparaten te ferbinen mei de haadgegevensbus. Op grûn fan de funksjes dy't se útfiere, binne se ferdield yn twa soarten: segmentbeskermingsmodules (Segmentbeskermers) en fjildbarrières (fjildbarriêres).
Nettsjinsteande it type beskermje ynterface-apparaten it netwurk fan koartslutingen en oerstreamingen yn útgeande rigels. As in koartsluting optreedt, blokkearret it ynterface-apparaat de ynterface-poarte, foarkomt dat de koartsluting troch it systeem ferspriedt en sa garandearret ynformaasje-útwikseling tusken oare netwurkapparaten. Nei it eliminearjen fan de koartsluting op 'e line, begjint de earder blokkearre kommunikaasjepoarte wer te wurkjen.
Fjildbarriêres jouwe ek galvanyske isolaasje tusken net-yntrinsysk feilige circuits fan 'e haadbus en yntrinsysk feilige circuits fan ferbûne fjildapparaten (tûken).
Fysiek binne ynterface-apparaten ek fan twa soarten - blok en modulêr. Blok-ynterface-apparaten fan it type FB-12SP mei segmentbeskermingsfunksjonaliteit kinne jo yntinsyf feilige IC-sirkels brûke om fjildapparaten te ferbinen yn Zone 2, en FB-12SP ISO-fjildbarriêres kinne jo apparaten ferbine yn Zones 1 en 0 mei yntrinsysk feilige IA circuits.
FB-12SP en FB-6SP koppelingen fan Phoenix Contact.
Ien fan 'e foardielen fan modulêre apparaten is de mooglikheid om it systeem te skaaljen troch it oantal kanalen te selektearjen dat nedich is om fjildapparaten te ferbinen. Derneist kinne modulêre apparaten it meitsjen fan fleksibele struktueren meitsje. Yn ien distribúsjekabinet is it mooglik om segmentbeskermingsmodules en fjildbarriêres te kombinearjen, dat is, om fjildapparaten te ferbinen dy't yn ferskate eksploazjegefaarlike sônes fan ien kabinet sitte. Yn totaal kinne oant 12 dual-channel FB-2SP modules of single-channel FB-ISO barriêre modules wurde ynstallearre op ien bus, dus ferbinen fan ien kabinet oan 24 fjild apparaten yn Zone 2 of oant 12 sensors yn Zone 1 of 0.
Ynterface apparaten kinne wurde eksploitearre yn in breed temperatuer berik en wurde ynstallearre yn eksploazje-proof kasten Ex e, Ex d mei in graad fan stof en focht beskerming fan op syn minst IP54, ynklusyf sa ticht mooglik by de kontrôle foarwerp.
Surge beskerming apparaten
H1 fjildnivo netwurken kinne foarmje hiel lange segminten, en kommunikaasje linen kinne rinne op plakken dêr't surge surges binne mooglik. Pulse overvoltages wurde begrepen as induced potinsjele ferskillen feroarsake troch bliksem discharges of koartslutingen yn tichtby lizzende kabel rigels. Induced spanning, de omfang fan dat is yn 'e folchoarder fan ferskate kilovolts, feroarsaket de stream fan discharge streamen fan kiloamperes. Al dizze ferskynsels foarkomme binnen mikrosekonden, mar kin liede ta falen fan H1 netwurk komponinten. Om apparatuer te beskermjen fan sokke ferskynsels is it nedich om in SPD te brûken. It brûken fan SPDs ynstee fan konvinsjonele feed-through terminals garandearret betroubere en feilige wurking fan it systeem yn ûngeunstige omstannichheden.
It prinsipe fan syn wurking is basearre op it brûken fan in kwasi-koartsluting yn it nanosekonde berik foar de stream fan discharge streamen yn in circuit dat brûkt eleminten dy't kinne wjerstean de stream fan streamen fan sa'n grutte.
D'r binne in grut oantal soarten SPD's: ienkanaal, dûbelkanaal, mei ferfangbere plugs, mei ferskate soarten diagnostyk - yn 'e foarm fan in blinker, droech kontakt. State-of-the-art diagnostyske ark fan Phoenix Contact kinne jo surge protectors kontrolearje mei Ethernet-basearre digitale tsjinsten. De fabryk fan it bedriuw yn Ruslân produseart apparaten sertifisearre foar gebrûk yn eksplosive omjouwings, ynklusyf Foundation Fieldbus-systemen.
Bus terminator
De terminator fiert twa funksjes út yn it netwurk - it shunts de fjildbusstream, dy't ûntstiet as gefolch fan sinjaalmodulaasje en foarkomt dat it sinjaal fan 'e úteinen fan' e haadline wjerspegele wurdt, sadat it foarkommen fan lûd en jitter (fazejitter) fan it digitale sinjaal). Sa, de terminator kinne jo om te kommen dat it uterlik fan inaccurate gegevens op it netwurk of it ferlies fan gegevens hielendal.
Elk segmint fan it H1-netwurk moat twa terminators hawwe oan elk ein fan it segmint. Phoenix Contact bus voedingen en koppelingen binne foarsjoen fan switchable terminators. De oanwêzigens fan ekstra terminators yn it netwurk, bygelyks, fanwege in flater, sil gâns ferminderje it sinjaal nivo yn de ynterface line.
Ynformaasje útwikseling tusken segminten
Ynformaasje útwikseling tusken fjild apparaten is net beheind ta ien segmint, mar is mooglik tusken ferskillende seksjes fan it netwurk, dat kin wurde ferbûn fia in controller of in Ethernet-basearre ûndernimming netwurk. Yn dit gefal kin it Foundation Fieldbus HSE-protokol as in populêrder, bygelyks Modbus TCP, brûkt wurde.
By it bouwen fan in HSE-netwurk wurde skeakels fan yndustriële klasse brûkt. It protokol lit ring oerstallich. Yn dit gefal, it is de muoite wurdich ûnthâlden dat yn in ring topology, Switches moatte brûke ien fan de oerstallige protokollen (RSTP, MRP of Extended Ring Redundancy) ôfhinklik fan de grutte en fereaske netwurk konverginsje tiid doe't kommunikaasje kanalen wurde brutsen.
Yntegraasje fan HSE-basearre systemen mei tredden systemen is mooglik mei help fan OPC technology.
Eksploazjebewiis metoaden
Om in eksploazjebestindich systeem te meitsjen, is it net genôch om allinich te lieden troch de eksploazjebestindige skaaimerken fan 'e apparatuer en de kar fan har juste lokaasje op' e side. Binnen it systeem wurket elk apparaat net op himsels, mar wurket binnen ien netwurk. Yn Foundation Fieldbus H1-netwurken giet it útwikseljen fan ynformaasje tusken apparaten yn ferskate gefaarlike gebieten net allinich oer de oerdracht fan gegevens, mar ek de oerdracht fan elektryske enerzjy. De hoemannichte enerzjy dy't akseptabel wie yn ien sône is miskien net akseptabel yn in oare. Dêrom, om de eksploazjefeiligens fan fjildnetwurken te beoardieljen en de optimale metoade te selektearjen om it te garandearjen, wurdt in systematyske oanpak brûkt. Under dizze metoaden binne metoaden foar it garandearjen fan yntrinsike feiligens de meast brûkte.
As it giet om fjildbussen, binne d'r op it stuit ferskate manieren om yntrinsike feiligens te berikken: de tradisjonele IS-barriêremetoade, it FISCO-konsept en High Power Trunk Technology (HPT).
De earste is basearre op it brûken fan IS-barriêres en ymplementearret in bewiisd konsept dat is brûkt yn kontrôlesystemen basearre op 4-20 mA analoge sinjalen. Dizze metoade is ienfâldich en betrouber, mar beheint de macht oanbod oan fjild apparaten yn gefaarlike Zones 0 en 1 oan 80 mA. Yn dit gefal, neffens in optimistyske prognose, is it mooglik om net mear as 4 fjildapparaten per segmint te ferbinen mei in konsumpsje fan 20 mA, mar yn 'e praktyk net mear as 2. Yn dit gefal ferliest it systeem alle foardielen dy't bestean yn Stichting Fieldbus en eins liedt ta in punt-to-punt topology, doe't te ferbinen in grut oantal fjild apparaten, it systeem moat wurde ferdield yn in protte segminten. Dizze metoade beheint ek de lingte fan 'e haadkabel en tûken signifikant.
It konsept fan FISCO waard ûntwikkele troch it "Nasjonaal Metrologysk Ynstitút fan Dútslân" en waard letter opnommen yn 'e IEC-noarmen, en dan yn GOST. Om de yntrinsike feiligens fan it fjildnetwurk te garandearjen, omfettet it konsept it gebrûk fan komponinten dy't foldogge oan bepaalde beheiningen. Soartgelikense beheiningen wurde formulearre foar macht foarrieden yn termen fan útfier macht, foar fjild apparaten yn termen fan macht konsumpsje en inductance, foar kabels yn termen fan ferset, kapasitânsje en inductance. Sokke beheiningen binne te tankjen oan it feit dat kapasityf en inductive eleminten kinne sammelje enerzjy, dy't yn need modus, yn gefal fan skea oan elts elemint fan it systeem, kin wurde útbrocht en feroarsaakje in spark discharge. Derneist ferbiedt it konsept it brûken fan oerstalligens yn it busnetwurksysteem.
FISCO leveret gruttere stroom foar it oandriuwen fan apparaten yn gefaarlike gebieten yn ferliking mei de fjildbarriêremetoade. 115 mA is beskikber hjir, dat kin brûkt wurde om macht 4-5 apparaten yn it segmint. D'r binne lykwols ek beheiningen op 'e lingte fan' e haadkabel en tûken.
High Power Trunk technology is op it stuit de meast foarkommende yntrinsike feiligens technology yn Foundation Fieldbus netwurken omdat it elimineert de neidielen dy't bestean yn barriêre-beskerme of FISCO netwurken. Mei it brûken fan HPT is it mooglik om de limyt fan fjildapparaten yn in netwurksegment te berikken.
De technology beheint de elektryske parameters fan it netwurk net wêr't dit net nedich is, bygelyks op 'e rêchbonkekommunikaasjeline, wêr't gjin ûnderhâld en ferfanging fan apparatuer nedich is. Om fjildapparaten te ferbinen dy't yn in eksplosive sône lizze, wurde ynterface-apparaten brûkt mei de funksjonaliteit fan fjildbarriêres, dy't de elektryske parameters fan it netwurk beheine foar it oandriuwen fan de sensoren en lizze direkt neist it kontrôleobjekt. Yn dit gefal wurdt it type eksploazjebeskerming Ex e (ferhege beskerming) brûkt troch it heule segmint.
Boarne: www.habr.com