Foundation Fieldbus é un sistema de comunicación dixital usado na automatización xunto con Profibus, Modbus ou HART. A tecnoloxía apareceu algo máis tarde que os seus competidores: a primeira edición do estándar remóntase a 1996 e actualmente inclúe dous protocolos para o intercambio de información entre os participantes da rede: H1 e HSE (Ethernet de alta velocidade).
O protocolo H1 úsase para o intercambio de información a nivel de sensor e controlador, e a súa rede baséase no estándar de capa física IEC 61158-2, que permite unha velocidade de transferencia de datos de 31,25 kbit/s. Neste caso, é posible subministrar enerxía aos dispositivos de campo desde o bus de datos. A rede HSE baséase en redes Ethernet de alta velocidade (100/1000 Mbit/s) e úsase para construír unha rede de sistemas de control de procesos automatizados a nivel de controladores e sistemas de xestión empresarial.
A tecnoloxía é aplicable na construción de sistemas de control de procesos automatizados para calquera instalación industrial, pero está máis estendida nas empresas da industria do petróleo e do gas e da industria química.
Capacidades tecnolóxicas
Foundation Fieldbus desenvolveuse como unha alternativa ao modelo tradicional de sistemas de control automatizados baseados en sensores analóxicos e ten unha serie de vantaxes tanto sobre o modelo tradicional como sobre os sistemas dixitais baseados en Profibus ou HART.
Unha das principais vantaxes é o alto grao de fiabilidade e tolerancia a fallos dos sistemas H1, que se consegue debido a dous factores:
- uso de dispositivos intelixentes (sensores e actuadores) a nivel de campo;
- a capacidade de organizar o intercambio de información directamente entre dispositivos a nivel de campo sen a participación dun controlador.
A intelixencia dos dispositivos de campo reside na capacidade de implementar algoritmos de control e procesamento da información que se implementan tradicionalmente no controlador. Na práctica, isto permite que o sistema siga funcionando aínda que o controlador falle. Isto require que os dispositivos de campo estean configurados adecuadamente e que se proporcione unha fonte de alimentación de bus de campo fiable.
Beneficios adicionais derivados da dixitalización do sistema de control e do uso de sensores intelixentes inclúen a capacidade de obter máis datos máis aló da medición de cada dispositivo de campo, ampliando finalmente o alcance da monitorización do proceso que nos sistemas analóxicos tradicionais está limitado ao sistema de entrada/saída de sinal. . .
O uso da topoloxía de bus na rede H1 permite reducir a lonxitude das liñas de cable, a cantidade de traballo de instalación e eliminar o uso de equipos adicionais nos sistemas de control: módulos de entrada/saída, fontes de alimentación e en áreas perigosas. barreiras de protección contra chispas.
O H1 permite o uso de cables de comunicación de sensores de 4-20 mA, que se poden usar cando se actualizan sistemas de control máis antigos. Grazas ao uso de principios de seguridade intrínseca, a tecnoloxía utilízase activamente en ambientes explosivos. A propia estandarización garante a intercambiabilidade e compatibilidade de equipos de diferentes fabricantes, e grazas aos dispositivos de pasarela é posible interconectar unha rede de dispositivos de campo e unha rede de sistemas de control industrial de empresas construídas en Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 é o máis parecido aos sistemas Profibus PA. Ambas tecnoloxías baséanse no mesmo estándar de capa física, polo que estes sistemas teñen as mesmas taxas de transferencia de datos, o uso da codificación Manchester, os parámetros eléctricos da liña de comunicación, a cantidade de potencia transmitida posible e a lonxitude máxima de cable permitida nunha rede. segmento (1900 m). Ademais, en ambos os sistemas é posible utilizar ata 4 repetidores, polo que a lonxitude do segmento xa pode alcanzar os 9,5 km. As posibles topoloxías de rede no sistema de control, así como os principios para garantir a seguridade intrínseca, son comúns.
Compoñentes do sistema
Os principais elementos da rede Foundation Fieldbus H1 son:
- controlador do sistema de control descentralizado (DCS);
- fontes de alimentación de bus de campo;
- dispositivos de interface de bloque ou modulares;
- terminadores de bus;
- dispositivos de campo intelixentes.
O sistema tamén pode conter dispositivos de pasarela (Linking Device), conversores de protocolos, SPD e repetidores.
Topoloxía de rede
Un concepto importante na rede H1 é o concepto de segmento. É unha liña principal de comunicación (Trunk), con ramas que se estenden desde ela (Spur), á que se conectan dispositivos de campo. O cable troncal comeza na fonte de alimentación do bus e normalmente remata no último dispositivo de interface. Permítense catro tipos de topoloxía para a comunicación entre o controlador e os dispositivos de campo: punto a punto, bucle, bus e árbore. Cada segmento pódese construír usando unha topoloxía separada ou usando as súas combinacións.
Cunha topoloxía punto a punto, cada dispositivo de campo está conectado directamente ao controlador. Neste caso, cada dispositivo de campo conectado forma o seu propio segmento de rede. Esta topoloxía é inconveniente porque priva ao sistema de case todas as vantaxes inherentes a Foundation Fieldbus. Hai demasiadas interfaces no controlador e, para alimentar os dispositivos de campo desde o bus de datos, cada liña de comunicación debe ter a súa propia fonte de alimentación de bus de campo. A lonxitude das liñas de comunicación resulta demasiado longa e o intercambio de información entre dispositivos realízase só a través do controlador, o que non permite utilizar o principio de alta tolerancia a fallos dos sistemas H1.
A topoloxía de bucle implica unha conexión en serie de dispositivos de campo entre si. Aquí, todos os dispositivos de campo combínanse nun segmento, o que permite o uso de menos recursos. Non obstante, esta topoloxía tamén ten desvantaxes: en primeiro lugar, é necesario proporcionar métodos nos que a falla dun dos sensores intermedios non supoña unha perda de comunicación cos outros. Outro inconveniente explícase pola falta de protección contra un curtocircuíto na liña de comunicación, na que o intercambio de información no segmento será imposible.
Outras dúas topoloxías de rede teñen a maior fiabilidade e practicidade: a topoloxía de bus e de árbore, que atoparon a maior distribución na práctica ao construír redes H1. A idea detrás destas topoloxías é utilizar dispositivos de interface para conectar dispositivos de campo á columna vertebral. Os dispositivos de acoplamento permiten que cada dispositivo de campo se conecte á súa propia interface.
Configuración da rede
As preguntas importantes á hora de construír unha rede H1 son os seus parámetros físicos: cantos dispositivos de campo se poden usar nun segmento, cal é a lonxitude máxima dun segmento, canto poden ter as ramas. A resposta a estas preguntas depende do tipo de subministración de enerxía e do consumo de enerxía dos dispositivos de campo, e para as zonas perigosas, dos métodos para garantir a seguridade intrínseca.
O número máximo de dispositivos de campo nun segmento (32) só se pode alcanzar se se alimentan de fontes locais no lugar e se non se dispón de seguridade intrínseca. Ao alimentar sensores e actuadores desde o bus de datos, o número máximo de dispositivos só pode ser de 12 ou menos, dependendo dos métodos de seguridade intrínsecos.
Dependencia do número de dispositivos de campo do método de alimentación e métodos para garantir a seguridade intrínseca.
A lonxitude do segmento de rede está determinada polo tipo de cable utilizado. A lonxitude máxima de 1900 m conséguese cando se utiliza cable tipo A (par trenzado con apantallamento). Cando se usa un cable tipo D (cable multinúcleo non trenzado cun blindaxe común) - só 200 m A lonxitude dun segmento enténdese como a suma das lonxitudes do cable principal e todas as ramas del.
Dependencia da lonxitude do segmento do tipo de cable.
A lonxitude das ramas depende do número de dispositivos no segmento de rede. Polo tanto, cun número de dispositivos de ata 12, este é un máximo de 120 m. Cando se usan dispositivos 32 nun segmento, a lonxitude máxima das ramas será de só 1 m. Ao conectar dispositivos de campo cun bucle, cada dispositivo adicional reduce a lonxitude da rama en 30 m.
Dependencia da lonxitude das ramas do cable principal do número de dispositivos de campo no segmento.
Todos estes factores afectan directamente á estrutura e topoloxía do sistema. Para acelerar o proceso de deseño da rede, utilízanse paquetes de software especiais, como DesignMate de FieldComm Group ou Fieldbus Network Planner de Phoenix Contact. Os programas permiten calcular os parámetros físicos e eléctricos da rede H1, tendo en conta todas as restricións posibles.
Finalidade dos compoñentes do sistema
Controlador
A tarefa do controlador é implementar as funcións do Link Active Scheduler (LAS), o principal dispositivo que xestiona a rede mediante o envío de mensaxes de servizo. LAS inicia o intercambio de información entre os participantes da rede con mensaxes planificadas (programadas) ou non programadas, diagnostica e sincroniza todos os dispositivos.
Ademais, o controlador é responsable do direccionamento automático dos dispositivos de campo e actúa como un dispositivo de pasarela, proporcionando unha interface Ethernet para a comunicación co nivel superior do sistema de control baseado no Foundation Fieldbus HSE ou outro protocolo de comunicación. No nivel superior do sistema, o controlador ofrece funcións de monitorización e control do operador, así como funcións para a configuración remota dos dispositivos de campo.
Pode haber varios Active Link Scheduler na rede, garantindo a redundancia das funcións incrustadas neles. Nos sistemas modernos, as funcións LAS pódense implementar nun dispositivo de pasarela que actúa como conversor de protocolos para sistemas de control construídos nun estándar distinto de Foundation Fieldbus HSE.
Fuentes de alimentación de bus de campo
O sistema de alimentación na rede H1 xoga un papel fundamental, xa que para que o intercambio de datos sexa posible, a tensión no cable de datos debe manterse no rango de 9 a 32 V DC. Tanto se os dispositivos de campo son alimentados polo bus de datos como por fontes de alimentación de campo, a rede precisa fontes de alimentación de bus.
Polo tanto, a súa finalidade principal é manter os parámetros eléctricos necesarios no bus, así como alimentar os dispositivos conectados á rede. As fontes de alimentación de bus difiren das fontes de alimentación convencionais en que teñen unha impedancia de circuíto de saída correspondente nas frecuencias de transmisión de datos. Se utiliza directamente fontes de alimentación de 1 ou 12 V para alimentar a rede H24, o sinal perderase e non será posible o intercambio de información no bus.
Fuentes de alimentación redundantes de bus de campo FB-PS (conjunto para 4 segmentos).
Dada a importancia de proporcionar enerxía de bus fiable, as fontes de alimentación de cada segmento de rede poden ser redundantes. As fontes de alimentación FB-PS de Phoenix Contact admiten a tecnoloxía Auto Current Balancing. ASV proporciona unha carga simétrica entre fontes de enerxía, o que ten un efecto beneficioso sobre as súas condicións de temperatura e, en última instancia, conduce a un aumento da súa vida útil.
O sistema de alimentación H1 adoita estar situado no armario do controlador.
Dispositivos de interface
Os dispositivos de acoplamento están deseñados para conectar un grupo de dispositivos de campo ao bus de datos principal. En función das funcións que realizan, divídense en dous tipos: módulos de protección de segmentos (Protectores de segmentos) e barreiras de campo (Barreiras de campo).
Independentemente do tipo, os dispositivos de interface protexen a rede de curtocircuítos e sobreintensidades nas liñas de saída. Cando se produce un curtocircuíto, o dispositivo de interface bloquea o porto de interface, evitando que o curtocircuíto se estenda polo sistema e garantindo así o intercambio de información entre outros dispositivos de rede. Despois de eliminar o curtocircuíto na liña, o porto de comunicación previamente bloqueado comeza a funcionar de novo.
Ademais, as barreiras de campo proporcionan illamento galvánico entre os circuítos non intrínsecamente seguros do bus principal e os circuítos intrínsecamente seguros dos dispositivos de campo conectados (ramas).
Fisicamente, os dispositivos de interface tamén son de dous tipos: bloques e modulares. Os dispositivos de interface de bloque do tipo FB-12SP con funcionalidade de protección de segmentos permítenche usar circuítos IC intrínsecamente seguros para conectar dispositivos de campo na Zona 2, e as barreiras de campo ISO FB-12SP permítenche conectar dispositivos nas Zonas 1 e 0 usando IA intrínsecamente segura. circuítos.
Acopladores FB-12SP e FB-6SP de Phoenix Contact.
Unha das vantaxes dos dispositivos modulares é a posibilidade de escalar o sistema seleccionando o número de canles necesarios para conectar os dispositivos de campo. Ademais, os dispositivos modulares permiten a creación de estruturas flexibles. Nun armario de distribución é posible combinar módulos de protección de segmentos e barreiras de campo, é dicir, conectar dispositivos de campo situados en diferentes zonas de perigo de explosión desde un mesmo armario. En total, pódense instalar ata 12 módulos FB-2SP de canle dual ou módulos de barreira FB-ISO de canle único nun bus, conectando así desde un armario a 24 dispositivos de campo na Zona 2 ou ata 12 sensores na Zona 1 ou 0.
Os dispositivos de interface poden funcionar nun amplo rango de temperaturas e instálanse en recintos a proba de explosión Ex e, Ex d cun grao de protección contra o po e a humidade de polo menos IP54, incluíndo o máis preto posible do obxecto de control.
Dispositivos de protección contra sobretensións
As redes a nivel de campo H1 poden formar segmentos moi longos e as liñas de comunicación poden executarse en lugares onde son posibles sobretensións. Enténdese por sobretensións de pulso as diferenzas de potencial inducidas causadas por descargas de raios ou curtocircuítos nas liñas de cable próximas. A tensión inducida, cuxa magnitude é da orde de varios quilovoltios, provoca o fluxo de correntes de descarga de kiloamperios. Todos estes fenómenos ocorren en microsegundos, pero poden provocar fallos dos compoñentes da rede H1. Para protexer o equipo de tales fenómenos, é necesario usar un SPD. O uso de SPD en lugar de terminais de paso convencionais garante un funcionamento fiable e seguro do sistema en condicións adversas.
O principio do seu funcionamento baséase no uso dun cuasi-curtocircuíto no rango de nanosegundos para o fluxo de correntes de descarga nun circuíto que utiliza elementos que poden soportar o fluxo de correntes de tal magnitude.
Hai un gran número de tipos de SPD: monocanle, dobre canle, con enchufes substituíbles, con varios tipos de diagnóstico - en forma de intermitente, contacto seco. As ferramentas de diagnóstico de última xeración de Phoenix Contact permítenche supervisar os protectores contra sobrevoltas mediante servizos dixitais baseados en Ethernet. A planta da compañía en Rusia produce dispositivos certificados para o seu uso en ambientes explosivos, incluídos os sistemas Foundation Fieldbus.
Terminator de bus
O terminador realiza dúas funcións na rede: deriva a corrente do bus de campo, que xorde como resultado da modulación do sinal e impide que o sinal se reflicta desde os extremos da liña principal, evitando así a aparición de ruído e jitter ( jitter de fase). do sinal dixital). Así, o terminador permítelle evitar a aparición de datos inexactos na rede ou a perda de datos por completo.
Cada segmento da rede H1 debe ter dous terminadores en cada extremo do segmento. As fontes de alimentación de bus de Phoenix Contact e os acopladores están equipados con terminadores conmutables. A presenza de terminadores adicionais na rede, por exemplo, debido a un erro, reducirá significativamente o nivel de sinal na liña de interface.
Intercambio de información entre segmentos
O intercambio de información entre dispositivos de campo non se limita a un segmento, senón que é posible entre diferentes seccións da rede, que se poden conectar mediante un controlador ou unha rede de plantas baseada en Ethernet. Neste caso, pódese utilizar o protocolo Foundation Fieldbus HSE ou outro máis popular, por exemplo, Modbus TCP.
Ao construír unha rede HSE, utilízanse interruptores de grao industrial. O protocolo permite a redundancia do anel. Neste caso, cómpre lembrar que nunha topoloxía en anel, os conmutadores deben utilizar un dos protocolos de redundancia (RSTP, MRP ou Extended Ring Redundancy) en función do tamaño e do tempo de converxencia da rede requirido cando se rompen as canles de comunicación.
A integración de sistemas baseados en HSE con sistemas de terceiros é posible mediante a tecnoloxía OPC.
Métodos a proba de explosión
Para crear un sistema a proba de explosión, non é suficiente guiarse só polas características a proba de explosión do equipo e a elección da súa localización correcta no lugar. Dentro do sistema, cada dispositivo non funciona por si só, senón que funciona dentro dunha única rede. Nas redes Foundation Fieldbus H1, o intercambio de información entre dispositivos situados en diferentes zonas perigosas implica non só a transferencia de datos, senón tamén a transferencia de enerxía eléctrica. A cantidade de enerxía que era aceptable nunha zona pode non ser aceptable noutra. Polo tanto, para avaliar a seguridade contra as explosións das redes de campo e seleccionar o método óptimo para garantila, utilízase un enfoque sistemático. Entre estes métodos, os métodos para garantir a seguridade intrínseca son os máis utilizados.
Cando se trata de buses de campo, actualmente existen varias formas de conseguir a seguridade intrínseca: o método tradicional de barreira IS, o concepto FISCO e a tecnoloxía de tronco de alta potencia (HPT).
O primeiro baséase no uso de barreiras IS e implementa un concepto comprobado que se utilizou en sistemas de control baseados en sinais analóxicos de 4-20 mA. Este método é sinxelo e fiable, pero limita a fonte de alimentación aos dispositivos de campo en zonas perigosas 0 e 1 a 80 mA. Neste caso, segundo unha previsión optimista, é posible conectar non máis de 4 dispositivos de campo por segmento cun consumo de 20 mA, pero na práctica non máis de 2. Neste caso, o sistema perde todas as vantaxes existentes. en Foundation Fieldbus e realmente leva a unha topoloxía punto a punto, cando conectar un gran número de dispositivos de campo, o sistema debe dividirse en moitos segmentos. Este método tamén limita significativamente a lonxitude do cable principal e das ramas.
O concepto FISCO foi desenvolvido polo "Instituto Metrolóxico Nacional de Alemaña" e despois incluíuse nos estándares IEC e despois en GOST. Para garantir a seguridade intrínseca da rede de campo, o concepto implica o uso de compoñentes que cumpran determinadas restricións. Formúlanse restricións similares para fontes de alimentación en termos de potencia de saída, para dispositivos de campo en termos de consumo de enerxía e inductancia, para cables en termos de resistencia, capacitancia e inductancia. Tales restricións débense ao feito de que os elementos capacitivos e indutivos poden acumular enerxía, que en modo de emerxencia, en caso de danos a calquera elemento do sistema, pode ser liberada e provocar unha descarga de chispa. Ademais, o concepto prohibe o uso da redundancia no sistema de alimentación do bus.
FISCO proporciona unha maior corrente para alimentar dispositivos en áreas perigosas en comparación co método de barreira de campo. Aquí está dispoñible 115 mA, que se pode usar para alimentar 4-5 dispositivos do segmento. Non obstante, tamén hai restricións na lonxitude do cable principal e das ramas.
A tecnoloxía High Power Trunk é actualmente a tecnoloxía de seguridade intrínseca máis común nas redes Foundation Fieldbus porque non presenta as desvantaxes que existen nas redes protexidas con barreiras ou FISCO. Co uso de HPT, é posible acadar o límite de dispositivos de campo nun segmento de rede.
A tecnoloxía non limita os parámetros eléctricos da rede onde non é necesario, por exemplo, nunha liña de comunicación troncal, onde non hai necesidade de mantemento e substitución de equipos. Para conectar dispositivos de campo situados nunha zona explosiva, utilízanse dispositivos de interface coa funcionalidade de barreiras de campo, que limitan os parámetros eléctricos da rede para alimentar os sensores e están situados directamente xunto ao obxecto de control. Neste caso, o tipo de protección contra explosión Ex e (protección aumentada) úsase en todo o segmento.
Fonte: www.habr.com