Foundation Fieldbus je digitalni komunikacijski sustav koji se koristi u automatizaciji zajedno s Profibusom, Modbusom ili HART-om. Tehnologija se pojavila nešto kasnije od svojih konkurenata: prvo izdanje standarda datira iz 1996. godine i trenutno uključuje dva protokola za razmjenu informacija između sudionika mreže - H1 i HSE (High Speed Ethernet).
Za razmjenu informacija na razini senzora i kontrolera koristi se H1 protokol, a njegova mreža se temelji na standardu fizičkog sloja IEC 61158-2, dopuštajući brzinu prijenosa podataka od 31,25 kbit/s. U tom slučaju moguće je napajati terenske uređaje iz podatkovne sabirnice. HSE mreža se temelji na brzim Ethernet mrežama (100/1000 Mbit/s) i koristi se za izgradnju automatizirane mreže sustava upravljanja procesima na razini kontrolera i sustava upravljanja poduzećem.
Tehnologija je primjenjiva u izgradnji automatiziranih sustava upravljanja procesima za bilo koje industrijske objekte, ali je najraširenija u poduzećima u industriji nafte i plina te kemijskoj industriji.
Tehnološke mogućnosti
Foundation Fieldbus razvijen je kao alternativa tradicionalnom modelu automatiziranih upravljačkih sustava temeljenih na analognim senzorima i ima brojne prednosti u odnosu na tradicionalni model i digitalne sustave temeljene na Profibusu ili HART-u.
Jedna od glavnih prednosti je visok stupanj pouzdanosti i otpornosti na pogreške sustava H1, što se postiže zahvaljujući dva faktora:
- korištenje inteligentnih uređaja (senzora i aktuatora) na razini terena;
- mogućnost organiziranja razmjene informacija izravno između uređaja na razini polja bez sudjelovanja kontrolera.
Inteligencija terenskih uređaja leži u sposobnosti implementacije algoritama upravljanja i obrade informacija koji se tradicionalno implementiraju u upravljač. U praksi to omogućuje sustavu da nastavi s radom čak i ako regulator otkaže. To zahtijeva da terenski uređaji budu pravilno konfigurirani i da je osigurano pouzdano napajanje sabirnice polja.
Dodatne prednosti proizašle iz digitalizacije upravljačkog sustava i upotrebe pametnih senzora uključuju mogućnost dobivanja više podataka osim mjerenja od svakog terenskog uređaja, u konačnici proširujući opseg praćenja procesa koji je u tradicionalnim analognim sustavima ograničen na sustav ulaza/izlaza signala .
Korištenje topologije sabirnice u mreži H1 omogućuje smanjenje duljine kabelskih vodova, količine instalacijskih radova i eliminira upotrebu dodatne opreme u sustavima upravljanja: ulazno/izlazni moduli, napajanja iu opasnim područjima - barijere za zaštitu od iskrenja.
H1 dopušta korištenje 4-20 mA senzorskih komunikacijskih kabela, koji se mogu koristiti pri nadogradnji starijih sustava upravljanja. Zahvaljujući korištenju načela intrinzične sigurnosti, tehnologija se aktivno koristi u eksplozivnim okruženjima. Sama standardizacija jamči zamjenjivost i kompatibilnost opreme različitih proizvođača, a zahvaljujući gateway uređajima moguće je povezati mrežu terenskih uređaja i mrežu industrijskog sustava upravljanja poduzeća izgrađenu na Ethernetu.
Foundation Fieldbus H1 je najsličniji Profibus PA sustavima. Obje tehnologije temelje se na istom standardu fizičkog sloja, pa ovi sustavi imaju iste brzine prijenosa podataka, korištenje Manchesterskog kodiranja, električne parametre komunikacijske linije, količinu moguće prijenosne snage i najveću dopuštenu duljinu kabela u mreži. segment (1900 m). Također, u oba sustava moguće je koristiti do 4 repetitora, zbog čega duljina segmenta može doseći već 9,5 km. Moguće mrežne topologije u sustavu upravljanja, kao i načela za osiguranje intrinzične sigurnosti, uobičajeni su.
Komponente sustava
Glavni elementi mreže Foundation Fieldbus H1 su:
- kontroler decentraliziranog upravljačkog sustava (DCS);
- fieldbus napajanja;
- blok ili modularni uređaji sučelja;
- terminali sabirnice;
- inteligentni terenski uređaji.
Sustav također može sadržavati gateway uređaje (Linking Device), pretvarače protokola, SPD-ove i repetitore.
Topologija mreže
Važan koncept u H1 mreži je koncept segmenta. To je glavni komunikacijski vod (Trunk) iz kojeg izlaze grane (Spur) na koje se spajaju terenski uređaji. Magistralni kabel počinje na izvoru napajanja sabirnice i obično završava na zadnjem uređaju sučelja. Za komunikaciju između kontrolera i terenskih uređaja dopuštena su četiri tipa topologije: točka-točka, petlja, sabirnica i stablo. Svaki segment može se izgraditi korištenjem zasebne topologije ili korištenjem njihovih kombinacija.
S topologijom od točke do točke, svaki terenski uređaj povezan je izravno s upravljačem. U tom slučaju svaki priključeni terenski uređaj tvori vlastiti segment mreže. Ova topologija je nezgodna jer lišava sustav gotovo svih prednosti svojstvenih Foundation Fieldbusu. Na kontroleru ima previše sučelja, a za napajanje terenskih uređaja iz podatkovne sabirnice svaka komunikacijska linija mora imati vlastito napajanje sabirnice polja. Duljina komunikacijskih linija ispada predugačka, a razmjena informacija između uređaja odvija se samo preko kontrolera, što ne dopušta korištenje principa visoke tolerancije na pogreške H1 sustava.
Topologija petlje podrazumijeva serijsku vezu terenskih uređaja međusobno. Ovdje su svi terenski uređaji spojeni u jedan segment, što omogućuje korištenje manje resursa. Međutim, ova topologija ima i nedostatke - prije svega, potrebno je osigurati metode u kojima kvar jednog od međusenzora neće dovesti do gubitka komunikacije s ostalima. Još jedan nedostatak objašnjava se nedostatkom zaštite od kratkog spoja u komunikacijskoj liniji, u kojoj će razmjena informacija u segmentu biti nemoguća.
Najveću pouzdanost i praktičnost imaju druge dvije mrežne topologije - topologija sabirnice i stabla, koje su našle najveću rasprostranjenost u praksi pri izgradnji H1 mreža. Ideja iza ovih topologija je korištenje uređaja sučelja za povezivanje terenskih uređaja s okosnicom. Uređaji za spajanje omogućuju spajanje svakog terenskog uređaja na vlastito sučelje.
Mrežne postavke
Važna pitanja pri izgradnji H1 mreže su njeni fizički parametri - koliko se terenskih uređaja može koristiti u segmentu, koja je maksimalna duljina segmenta, koliko dugi mogu biti ogranci. Odgovor na ova pitanja ovisi o vrsti napajanja i potrošnji energije terenskih uređaja, a za opasna područja o načinima osiguravanja vlastite sigurnosti.
Maksimalni broj terenskih uređaja u segmentu (32) može se postići samo ako se napajaju iz lokalnih izvora na licu mjesta i ako intrinzična sigurnost nije dostupna. Kod napajanja senzora i aktuatora iz podatkovne sabirnice, maksimalan broj uređaja može biti samo 12 ili manje, ovisno o metodama intrinzične sigurnosti.
Ovisnost broja terenskih uređaja o načinu napajanja i načinima osiguranja vlastite sigurnosti.
Duljina mrežnog segmenta određena je vrstom kabela koji se koristi. Maksimalna duljina od 1900 m postiže se korištenjem kabela tipa A (upredena parica s oklopom). Kada koristite kabel tipa D (ne upleteni višežilni kabel s zajedničkim štitom) - samo 200 m. Duljina segmenta shvaća se kao zbroj duljina glavnog kabela i svih grana iz njega.
Ovisnost duljine segmenta o vrsti kabela.
Duljina grana ovisi o broju uređaja u mrežnom segmentu. Dakle, s brojem uređaja do 12, to je maksimalno 120 m. Pri korištenju 32 uređaja u segmentu, maksimalna duljina grana bit će samo 1 m. Kod povezivanja terenskih uređaja s petljom, svaki dodatni uređaj smanjuje duljinu grane za 30 m.
Ovisnost duljine ogranaka od glavnog kabela o broju terenskih uređaja u segmentu.
Svi ti čimbenici izravno utječu na strukturu i topologiju sustava. Kako bi se ubrzao proces projektiranja mreže, koriste se posebni programski paketi, kao što je DesignMate iz FieldComm Group ili Fieldbus Network Planner iz Phoenix Contacta. Programi vam omogućuju izračun fizičkih i električnih parametara H1 mreže, uzimajući u obzir sva moguća ograničenja.
Namjena komponenti sustava
Kontroler
Zadatak kontrolera je implementacija funkcija Link Active Scheduler-a (LAS), glavnog uređaja koji upravlja mrežom slanjem servisnih poruka. LAS pokreće razmjenu informacija između sudionika mreže planiranim (planiranim) ili neplaniranim porukama, dijagnosticira i sinkronizira sve uređaje.
Dodatno, kontroler je odgovoran za automatsko adresiranje terenskih uređaja i djeluje kao gateway uređaj, pružajući Ethernet sučelje za komunikaciju s višom razinom upravljačkog sustava temeljenog na Foundation Fieldbus HSE ili drugom komunikacijskom protokolu. Na najvišoj razini sustava, kontroler pruža funkcije nadzora i upravljanja operatera, kao i funkcije za daljinsko konfiguriranje terenskih uređaja.
U mreži može postojati nekoliko Active Link Schedulera, što jamči redundantnost funkcija ugrađenih u njih. U modernim sustavima, LAS funkcije mogu se implementirati u gateway uređaj koji djeluje kao pretvarač protokola za upravljačke sustave izgrađene na standardu koji nije Foundation Fieldbus HSE.
Fieldbus napajanja
Sustav napajanja u mreži H1 ima ključnu ulogu, jer da bi razmjena podataka bila moguća, napon u podatkovnom kabelu mora se održavati u rasponu od 9 do 32 V DC. Bilo da se terenski uređaji napajaju podatkovnom sabirnicom ili terenskim napajanjem, mreža zahtijeva napajanje sabirnice.
Stoga je njihova glavna namjena održavanje potrebnih električnih parametara na sabirnici, kao i napajanje uređaja spojenih na mrežu. Napajanja sabirnica razlikuju se od konvencionalnih izvora napajanja po tome što imaju odgovarajuću impedanciju izlaznog kruga na frekvencijama prijenosa podataka. Ako izravno koristite 1 ili 12 V napajanje za napajanje H24 mreže, signal će se izgubiti i razmjena informacija na sabirnici neće biti moguća.
Redundantni Fieldbus izvori napajanja FB-PS (sklop za 4 segmenta).
S obzirom na važnost osiguravanja pouzdanog napajanja sabirnice, izvori napajanja za svaki segment mreže mogu biti redundantni. Phoenix Contact FB-PS napajanja podržavaju tehnologiju automatskog balansiranja struje. ASV osigurava simetrično opterećenje između izvora energije, što povoljno utječe na njihove temperaturne uvjete i u konačnici dovodi do povećanja njihovog životnog vijeka.
Sustav napajanja H1 obično se nalazi u ormaru upravljača.
Uređaji sučelja
Uređaji za spajanje dizajnirani su za spajanje grupe terenskih uređaja na glavnu sabirnicu podataka. Ovisno o funkcijama koje obavljaju, dijele se na dvije vrste: segmentne zaštitne module (Segment Protectors) i poljske barijere (Field Barriers).
Bez obzira na vrstu, uređaji sučelja štite mrežu od kratkih spojeva i prekomjernih struja u odlaznim vodovima. Kada dođe do kratkog spoja, uređaj sučelja blokira port sučelja, sprječavajući širenje kratkog spoja po cijelom sustavu i time jamče razmjenu informacija između ostalih mrežnih uređaja. Nakon uklanjanja kratkog spoja na liniji, prethodno blokirani komunikacijski port ponovno počinje raditi.
Terenske barijere dodatno osiguravaju galvansku izolaciju između nesvojstveno sigurnih strujnih krugova glavne sabirnice i svojstveno sigurnih strujnih krugova priključenih terenskih uređaja (granova).
Fizički, uređaji sučelja također su dvije vrste - blok i modularni. Uređaji s blok sučeljem tipa FB-12SP s funkcionalnošću zaštite segmenta omogućuju vam korištenje svojstveno sigurnih IC krugova za povezivanje terenskih uređaja u zoni 2, a FB-12SP ISO barijere polja omogućuju vam povezivanje uređaja u zonama 1 i 0 korištenjem svojstveno sigurnog IA sklopovi.
FB-12SP i FB-6SP spojnice tvrtke Phoenix Contact.
Jedna od prednosti modularnih uređaja je mogućnost skaliranja sustava odabirom broja kanala potrebnih za povezivanje terenskih uređaja. Osim toga, modularni uređaji omogućuju stvaranje fleksibilnih struktura. U jednom razvodnom ormaru moguće je kombinirati segmentne zaštitne module i poljske barijere, odnosno iz jednog ormara spojiti terenske uređaje koji se nalaze u različitim zonama opasnosti od eksplozije. Ukupno, do 12 dvokanalnih FB-2SP modula ili jednokanalnih FB-ISO barijernih modula može se instalirati na jednu sabirnicu, čime se povezuje iz jednog ormara na 24 terenska uređaja u Zoni 2 ili do 12 senzora u Zoni 1 ili 0.
Uređaji sučelja mogu raditi u širokom rasponu temperatura i ugrađuju se u kućišta zaštićena od eksplozije Ex e, Ex d sa stupnjem zaštite od prašine i vlage od najmanje IP54, uključujući što je moguće bliže objektu upravljanja.
Uređaji za zaštitu od prenapona
Mreže na razini polja H1 mogu formirati vrlo dugačke segmente, a komunikacijske linije mogu prolaziti na mjestima gdje su mogući prenaponi. Pod pulsnim prenaponima podrazumijevaju se inducirane potencijalne razlike uzrokovane pražnjenjem munje ili kratkim spojevima u obližnjim kabelskim vodovima. Inducirani napon, čija je veličina reda veličine nekoliko kilovolti, uzrokuje protok struja pražnjenja od kiloampera. Svi ovi fenomeni događaju se unutar mikrosekundi, ali mogu dovesti do kvara mrežnih komponenti H1. Za zaštitu opreme od takvih pojava potrebno je koristiti SPD. Korištenje SPD-ova umjesto konvencionalnih prolaznih terminala jamči pouzdan i siguran rad sustava u nepovoljnim uvjetima.
Princip njegovog rada temelji se na korištenju kvazikratkog spoja u nanosekundnom području za protok struja pražnjenja u krugu koji koristi elemente koji mogu podnijeti protok struja takve veličine.
Postoji veliki broj vrsta SPD-ova: jednokanalni, dvokanalni, sa zamjenjivim utikačima, s različitim vrstama dijagnostike - u obliku blinkera, suhog kontakta. Najsuvremeniji dijagnostički alati iz Phoenix Contacta omogućuju vam nadzor zaštitnika od prenapona pomoću digitalnih usluga temeljenih na Ethernetu. Tvornica tvrtke u Rusiji proizvodi uređaje certificirane za upotrebu u eksplozivnim okruženjima, uključujući sustave Foundation Fieldbus.
Terminator autobusa
Terminator u mreži obavlja dvije funkcije - šuntira struju sabirnice polja, koja nastaje kao posljedica modulacije signala i sprječava reflektiranje signala od krajeva glavnog voda, čime sprječava pojavu šuma i podrhtavanja (fazno podrhtavanje). digitalnog signala). Dakle, terminator vam omogućuje da izbjegnete pojavu netočnih podataka na mreži ili potpuni gubitak podataka.
Svaki segment H1 mreže mora imati dva terminatora na svakom kraju segmenta. Phoenix Contactovi izvori napajanja sabirnice i spojnice opremljeni su preklopnim terminatorima. Prisutnost dodatnih terminatora u mreži, na primjer, zbog greške, značajno će smanjiti razinu signala u liniji sučelja.
Razmjena informacija između segmenata
Razmjena informacija između terenskih uređaja nije ograničena na jedan segment, već je moguća između različitih dijelova mreže, koji se mogu povezati preko kontrolera ili mreže postrojenja temeljene na Ethernetu. U ovom slučaju može se koristiti Foundation Fieldbus HSE protokol ili popularniji, na primjer, Modbus TCP.
Pri izgradnji HSE mreže koriste se preklopnici industrijske razine. Protokol dopušta redundanciju prstena. U ovom slučaju, vrijedi zapamtiti da u topologiji prstena preklopnici moraju koristiti jedan od protokola zalihosti (RSTP, MRP ili Extended Ring Redundancy) ovisno o veličini i potrebnom vremenu konvergencije mreže kada su komunikacijski kanali prekinuti.
Integracija HSE-baziranih sustava sa sustavima trećih strana moguća je pomoću OPC tehnologije.
Metode zaštite od eksplozije
Da bi se stvorio sustav otporan na eksploziju, nije dovoljno voditi se samo karakteristikama zaštite od eksplozije opreme i odabirom njezine pravilne lokacije na gradilištu. Unutar sustava svaki uređaj ne funkcionira sam za sebe, već unutar jedinstvene mreže. U mrežama Foundation Fieldbus H1, razmjena informacija između uređaja smještenih u različitim opasnim područjima uključuje ne samo prijenos podataka, već i prijenos električne energije. Količina energije koja je bila prihvatljiva u jednoj zoni možda nije prihvatljiva u drugoj. Stoga se za procjenu protueksplozijske sigurnosti terenskih mreža i odabir optimalne metode za njezino osiguranje koristi sustavni pristup. Među tim metodama najčešće se koriste metode za osiguranje intrinzične sigurnosti.
Kada je riječ o sabirnicama, trenutačno postoji nekoliko načina za postizanje intrinzične sigurnosti: tradicionalna metoda IS barijere, FISCO koncept i High Power Trunk Technology (HPT).
Prvi se temelji na korištenju IS barijera i implementira dokazani koncept koji se koristi u sustavima upravljanja koji se temelje na analognim signalima 4-20 mA. Ova je metoda jednostavna i pouzdana, ali ograničava napajanje terenskih uređaja u opasnim zonama 0 i 1 na 80 mA. U ovom slučaju, prema optimističnoj prognozi, moguće je spojiti najviše 4 terenska uređaja po segmentu s potrošnjom od 20 mA, ali u praksi ne više od 2. U ovom slučaju sustav gubi sve prednosti koje postoje u Foundation Fieldbus i zapravo vodi do topologije od točke do točke, kada se za povezivanje velikog broja terenskih uređaja sustav mora podijeliti na mnogo segmenata. Ova metoda također značajno ograničava duljinu glavnog kabela i grana.
Koncept FISCO razvio je “Nacionalni mjeriteljski institut Njemačke” i kasnije je uključen u IEC standarde, a potom i u GOST. Kako bi se osigurala intrinzična sigurnost terenske mreže, koncept uključuje upotrebu komponenti koje zadovoljavaju određena ograničenja. Slična su ograničenja formulirana za izvore napajanja u smislu izlazne snage, za terenske uređaje u smislu potrošnje energije i induktiviteta, za kabele u smislu otpora, kapaciteta i induktiviteta. Takva ograničenja proizlaze iz činjenice da kapacitivni i induktivni elementi mogu akumulirati energiju, koja se u hitnom načinu rada, u slučaju oštećenja bilo kojeg elementa sustava, može osloboditi i izazvati pražnjenje iskre. Osim toga, koncept zabranjuje korištenje redundancije u sustavu napajanja sabirnice.
FISCO osigurava veću struju za napajanje uređaja u opasnim područjima u usporedbi s metodom barijere polja. Ovdje je dostupno 115 mA koje se može koristiti za napajanje 4-5 uređaja u segmentu. Međutim, postoje i ograničenja u pogledu duljine glavnog kabela i grana.
High Power Trunk tehnologija trenutno je najčešća intrinzična sigurnosna tehnologija u mrežama Foundation Fieldbus jer nema nedostataka koji postoje u mrežama zaštićenim barijerama ili FISCO mrežama. Korištenjem HPT-a moguće je postići limit terenskih uređaja u segmentu mreže.
Tehnologija ne ograničava električne parametre mreže tamo gdje to nije potrebno, primjerice, na okosnici komunikacijske linije, gdje nema potrebe za održavanjem i zamjenom opreme. Za povezivanje terenskih uređaja koji se nalaze u eksplozivnoj zoni koriste se uređaji sučelja s funkcionalnošću poljskih barijera koji ograničavaju električne parametre mreže za napajanje senzora i nalaze se neposredno uz objekt upravljanja. U ovom slučaju koristi se vrsta zaštite od eksplozije Ex e (pojačana zaštita) u cijelom segmentu.
Izvor: www.habr.com