A Foundation Fieldbus egy digitális kommunikációs rendszer, amelyet automatizálásra használnak, hasonlóan más rendszerekhez, mint a Profibus, Modbus vagy HART. A technológia később jelent meg versenytársainál: az első standard törzs 1996-ra datálható, és jelenleg két protokollt tartalmaz a hálózati résztvevők közötti információcserére - H1 és HSE (High Speed Ethernet).
A H1 protokoll a szenzorok és vezérlők szintjén használatos információcserére, illetve hálózata az IEC 61158-2 fizikai szintű standardján alapul, amely 31,25 kbit/s adatátviteli sebességet tesz lehetővé. Ezenkívül a terepi eszközök táplálása a kommunikációs buszról is megoldható. Az HSE hálózat nagysebességű Ethernet hálózatokon alapul (100/1000 Mbit/s), és az ipari automatizálás szintjén vezérlők és vállalati irányító rendszerek hálózatának kiépítésére használják.
A technológia alkalmazható bármilyen ipari objektum ipari automatizálásának kiépítésénél, de a legelterjedtebb a kőolaj- és gáziparban, valamint a vegyiparban.
A technológia lehetőségei
A Foundation Fieldbus-t alternatívaként fejlesztették ki a hagyományos analóg érzékelők alapú automatizált irányítási rendszerekhez, és számos előnnyel jár mind a hagyományos modellel, mind a Profibus vagy HART alapú digitális rendszerekkel szemben.
Az egyik fő előny a rendszerek magas megbízhatósága és hibátűrése. H1, amit két tényező biztosít:
- intelligens eszközök (érzékelők és végrehajtó mechanizmusok) használata a terepi szinten;
- információcsere közvetlenül a terepi szintű eszközök között a vezérlő részvétele nélkül.
A terepi eszközök intelligenciája abban rejlik, hogy tervezhetünk olyan vezérlési és információfeldolgozási algoritmusokat, amelyeket hagyományosan a vezérlő realizál. A gyakorlatban ez lehetővé teszi a rendszer számára, hogy a vezérlő meghibásodása esetén is folytassa a működését. Ehhez szükséges, hogy a terepi eszközöket megfelelően konfigurálják, továbbá biztosítani kell a terepi busz megbízható táplálási rendszerét.
A digitális irányítási rendszer és az intelligens érzékelők alkalmazásának további előnyei abban rejlenek, hogy a terepi eszközök minden egyes mérésének elemzése mellett nagyobb mennyiségű adat érhető el, ami végső soron bővíti a folyamat megfigyelésének területét, amely a hagyományos analóg rendszerekben a jelbe- és kimeneti rendszerre korlátozódik.
A H1-es hálózatban alkalmazott busz topology lehetővé teszi a kábelhosszak csökkentését, a telepítési munkák volumenének csökkentését, az irányító rendszerekben használt további berendezések, mint például bemeneti-kimeneti modulok, tápegységek és robbanásveszélyes zónákban a szikraelleni védelmi akadályok elhagyását.
A H1 lehetővé teszi a 4-20 mA érzékelő kommunikációs vezetékének használatát, ami felhasználható a régi irányító rendszerek korszerűsítésére. A robbanásbiztosság elveinek alkalmazásának köszönhetően a technológia aktívan használható robbanásveszélyes környezetekben. Maga a szabványosítás garantálja a különböző gyártóknál előállított berendezések kölcsönös helyettesíthetőségét és kompatibilitását, és az átjáró eszközök révén lehetőség nyílik a terepi eszközök hálózatának és az Ethernet-alapú vállalati irányító rendszerek hálózatának összekötésére.
A Foundation Fieldbus H1 a Profibus PA rendszerekkel hasonlít leginkább. Mindkét technológia egy közös fizikai színvonalú szabványon alapul, ezért ezek a rendszerek az adatátviteli sebesség, a Manchester-kódolás alkalmazása, a kommunikációs vezeték elektromos paraméterei, a maximálisan átvihető teljesítmény mértéke és a hálózati szegmensek maximálisan megengedett kábelhossza (1900 m) tekintetében azonosak. Ezenkívül mindkét rendszerben legfeljebb 4 repeater használható, ami lehetővé teszi, hogy a szegmensek hossza elérje a 9,5 km-t. Közös az irányító rendszerben alkalmazott hálózati topológiák és a robbanásbiztonsági elvek is.
A rendszer komponensei
A Foundation Fieldbus H1 hálózat fő elemei a következők:
- decentralizált irányító rendszer (DCS);
- a mezőbusz tápegységei;
- tömbös vagy moduláris csatlakozó eszközök;
- buszterminátorok;
- intelligens terepi eszközök.
A rendszerben átjáró eszközök (Linking Device), protokollkonverterek, túlfeszültség-védelem (ÜZIP) és ismétlők is találhatóak.
Hálózati topológia
A fontos fogalom a H1 hálózatban a szegmens fogalma. Ez egy fő kommunikációs vonalat (Trunk) képvisel, amelyből elágazások (Spur) indulnak, és ezekhez kapcsolódnak a terepi eszközök. A fő kábel a busz tápegységénél kezdődik, és általában az utolsó csatlakozó eszköznél végződik. A vezérlő és a terepi eszközök közötti kapcsolatra négyféle topológia engedélyezett: pont-pont, gyűrű, busz és fa. Minden szegmens építhető különálló topológia használatával vagy ezek kombinációival.
Pont-pont topológia használatakor minden terepi eszköz közvetlenül a vezérlőhöz csatlakozik. Ebben az esetben minden csatlakoztatott terepi eszköz saját hálózati szegmenst alkot. Ez a topológia kényelmetlen, mert szinte minden előnyét elveszi a Foundation Fieldbus rendszernek. A vezérlőn túl sok interfész aktiválódik, és a terepi eszközök táplálásához a kommunikációs vonalon minden vonalon a terepi busz saját tápegységének kell lennie. A kommunikációs vonalak hossza túl nagy, a készülékek közötti információcsere csak a vezérlőn keresztül zajlik, ami megakadályozza a H1 rendszerek magas rendelkezésre állásának elvét.
A gyűrű topológia egymásba kapcsolt terepi eszközöket porol. Itt minden terepi eszköz egy szegmensbe van összekapcsolva, ami lehetővé teszi, hogy kevesebb erőforrást használjunk. Azonban ennek a topológiának is megvannak a hátrányai – legfőképpen figyelembe kell venni olyan módszereket, amelyek biztosítják, hogy egy közbenső érzékelő meghibásodása ne vezessen a többi eszközzel való kommunikáció megszakadásához. Egy másik hátrány a kommunikációs vonal rövidzárlat elleni védelmének hiánya, amely esetén az információcsere a szegmensben lehetetlenné válik.
A legnagyobb megbízhatósággal és praktikussággal két másik hálózati topológia rendelkezik - a busz és a fába rendezett topológia, amelyek a legelterjedtebbek a gyakorlatban H1 hálózatok építésekor. E topológiák lényege, hogy csatlakozó eszközöket használnak a terepi eszközök csatlakoztatására a fő kommunikációs vonalhoz. A csatlakozó eszközök lehetővé teszik, hogy minden terepi eszközt a saját interfészehez csatlakoztassanak.
Hálózati paraméterek
A H1 hálózat építésekor fontos kérdések a fizikai paraméterei - hány terepi eszköz használható egy szegmensen, mekkora maximális hosszal rendelkezhet egy szegmens, és milyen hosszúak lehetnek a leágazások. E kérdésekre adott válasz függ a terepi eszközök táplálásának típusától és energiafogyasztásától, valamint robbanásveszélyes objektumok esetében a szikraelleni védelem módjától.
A szegmensben a maximális terepi eszközszám (32) csak akkor érhető el, ha azok helyben helyi forrásokból kapják az áramot, és nincs szikraelleni védelem. Ha a szenzorok és az aktorok az adatbuszról táplálkoznak, akkor a maximális eszközszám csak 12 vagy annál kevesebb lehet a szikraelleni védelem módszereitől függően.
A terepi eszközök száma a táplálás módjától és a szikraelleni védelem módszereitől függ.
A hálózati szegmens hossza a használt kábel típusától függ. A maximális 1900 m hosszúság elérhető A típusú kábel használatával (árnyékolt csavart érpár). D típusú kábel (nem csavart többszálú kábel közös árnyékolással) használatakor - csak 200 m. A szegmens hossza a fő kábel és az attól való leágazások hosszának összegét jelenti.
A szegmens hossza a kábel típusától függ.
A leágazások hossza a szegmensben lévő eszközök számától függ. Tehát 12 eszközig a maximális 120 m. 32 eszköz esetén a leágazások maximális hossza mindössze 1 m. Ha a terepi eszközök láncban vannak csatlakoztatva, akkor minden további eszköz 30 m-rel csökkenti a leágazás hosszát.
A leágazások hossza a fő kábel és a szegmensben lévő terepi eszközök számától függ.
Mindezen tényezők közvetlen hatással vannak a rendszer struktúrájára és topológiájára. A hálózattervezési folyamat felgyorsítása érdekében speciális szoftvercsomagokat használnak, mint például a FieldComm Group DesignMate-jét vagy a Phoenix Contact Fieldbus Network Plannerét. Ezek a programok lehetővé teszik a H1 hálózat fizikai és elektromos paramétereinek számítását, figyelembe véve minden lehetséges korlátozást.
A rendszer komponenseinek célja
Irányító
A vezérlő feladata az Aktív Kapcsolat Ütemező (LAS) funkcióinak megvalósítása – a fő eszköz, amely a hálózatot kezeli szolgáltatási üzenetek küldésével. Az LAS kezdeményezi az információcserét a hálózat résztvevői között ütemezett (tervezett) vagy ütemezés nélküli üzenetek révén, valamint diagnosztikát és az összes eszköz szinkronizálását végzi.
Ezen kívül a vezérlő automatikus címzést végez a mezőberendezések számára, átjáró eszközként funkcionál, Ethernet interfészt biztosítva az alapvető Fieldbus HSE kezelési szinttel való kapcsolathoz, vagy más kommunikációs protokollhoz. A rendszer felső szintjének a vezérlő figyelési és kezelési funkciókat biztosít az operátor részéről, valamint a mezőberendezések távoli konfigurálásának funkcióit.
A hálózatban több Aktív Kapcsolat Ütemező is lehet, amely biztosítja a bennük elhelyezett funkciók tartalékolását. A modern rendszerekben az LAS funkciók megvalósíthatók egy átjáró eszközben is, amely protokollátalakító szerepet tölt be a Foundation Fieldbus HSE-nél eltérő szabványokon alapuló vezérlőrendszerek számára.
A mezőbusz tápegységei
A táplálási rendszer a H1 hálózatban kulcsszerepet játszik, mert az információcseréhez a adatátviteli kábelben 9 és 32 V közötti állandó feszültséget kell fenntartani. Függetlenül attól, hogy a mezőberendezések az adatátviteli buszból vagy helyi tápegységekből nyernek tápot, a hálózatban tápegységekre van szükség.
A fő feladatuk az elektrikus paraméterek fenntartása a buszon, valamint a hálózathoz csatlakoztatott eszközök áramellátása. A hagyományos tápegységektől eltérően a busztápegységeknek megfelelő impedanciával kell rendelkezniük az adatátviteli frekvenciákon. Ha a H1 hálózat áramellátására közvetlenül 12 vagy 24 V-os tápegységeket használnak, akkor a jel elveszik, és az információcsere a buszon lehetetlenné válik.
A FB-PS mezőbusz tápegységek (4 szegmenshez készült összeállítás).
Tekintettel arra, hogy a busz megbízható áramellátásának biztosítása kiemelten fontos, a hálózat minden szegmensének áramellátását tartalékolni lehet. A Phoenix Contact FB-PS tápegységek automatikus áramelágazás (Auto Current Balancing) technológiát támogatnak. Az ACV biztosítja a szimmetrikus terhelést a tápegységek között, ami kedvezően hat a hőmérsékletükre, végső soron pedig meghosszabbítja élettartamukat.
A H1 hálózat áramellátó rendszere általában a vezérlőszekrényben található.
Kapcsoló eszközök
A kapcsoló eszközök a mezőbeli eszközök csoportját kötik össze az adatátviteli buszhoz. Funkcióik alapján két típusra oszthatók: szegmens védelmi modulok (Segment Protectors) és mezőbeli akadályok (Field Barriers).
Függetlenül a típustól, a kapcsoló eszközök védik a hálózatot a rövidzárlatoktól és a túlterhelésektől az eltérő vonalakban. Amennyiben rövidzárlat lép fel, a kapcsoló eszköz blokkolja az interfészelérintkező portot, megakadályozva ezzel, hogy a rövidzárlat elterjedjen a rendszeren, így biztosítva az információcserét a hálózat többi eszköze között. Miután a rövidzárlatot megszüntették, a korábban blokkolt kommunikációs port ismét működni kezd.
A mezőbeli akadályok további galvanikus elválasztást biztosítanak a nem robbanásbiztos körök és a csatlakoztatott mezőbeli eszközök (ágazatok) robbanásbiztos körei között.
A fizikailag csatlakozó eszközöknek két típusa van – blokk és moduláris kivitelben. Az FB-12SP blokkos csatlakozó eszköz szegmentumvédelmi funkcióval lehetővé teszi, hogy a 2. zónában robbanásbiztos IC áramköröket használjunk a mezői eszközök csatlakoztatásához, míg az FB-12SP ISO mezői akadályok lehetővé teszik a 1. és 0. zónában robbanásbiztos IA áramkörök csatlakoztatását.
A Phoenix Contact FB-12SP és FB-6SP csatlakozó eszközei.
Az egyik előnye a moduláris eszközöknek, hogy lehetővé teszi a rendszer skálázását, az igényelt mennyiségű csatorna kiválasztásával a mezői eszközök csatlakoztatásához. Emellett a moduláris eszközök rugalmas struktúrák létrehozását is lehetővé teszik. Egy elosztószekrényen belül kombinálhatók a szegmentumvédelmi modulok és a mezői akadályok, ami lehetővé teszi, hogy egy szekrényből mezői eszközöket csatlakoztassunk különböző robbanásveszélyes zónákban. Egy buszra legfeljebb 12 kéttagú FB-2SP modult vagy egytagú FB-ISO akadálymodulokat lehet telepíteni, ezzel egy szekrényből akár 24 mezői eszköz csatlakoztatható a 2. zónában vagy 12 érzékelő a 1. vagy 0. zónában.
A csatlakozó eszközök széles hőmérsékleti tartományban üzemeltethetők és robbanásbiztos Ex e, Ex d burkolatokban helyezhetők el, legalább IP54 védettségi fokozattal, közel a vezérlési objektumhoz.
Túláramvédelmi eszközök
A H1 szintű mezői hálózatok nagyon hosszú szegmenseket alkothatnak, és a kommunikációs vonalak olyan helyeken is elhaladhatnak, ahol impulzusok alakulhatnak ki. Az impulzusok alatt azt a potenciálkülönbséget értjük, amelyet a villámlások vagy a közeli kábelvonalakon fellépő rövidzárlatok okoznak. Az indukált feszültség, amely néhány kilovolt nagyságrendű, kA nagyságrendű kisülési áramok áthaladását okozza. Mindezek a jelenségek mikro másodpercek alatt zajlanak le, de a H1 hálózat komponenseinek meghibásodásához vezethetnek. Az ilyen jelenségek elleni védelem érdekében UZIP alkalmazása szükséges. Az UZIP alkalmazása a normál átmeneti ktermek helyett megbízhatóbb és biztonságosabb működést garantál a kedvezőtlen körülmények között.
Működési elve a kvázi rövidzárlat nanoszekundumos tartományának felhasználásán alapul, amely lehetővé teszi a kisülési áramok áthaladását egy olyan körön, amelyben olyan elemek találhatók, amelyek képesek elviselni ilyen méretű áramokat.
Rengeteg különféle túlfeszültség-védelmi eszköz létezik: egycsatornás, kétcsatornás, cserélhető dugós, különböző diagnosztikai típusokkal – mint például blinkerek és száraz érintkezők. A Phoenix Contact modern diagnosztikai eszközei lehetővé teszik a túlfeszültség-védelmi eszközök monitorozását Ethernet-alapú digitális szolgáltatások használatával. Oroszországban a cég gyárában robbanásveszélyes környezetben történő alkalmazásra tanúsított eszközök készülnek, beleértve a Foundation Fieldbus rendszereket is.
Buszterminátor
A terminátor két funkciót lát el a hálózatban – áramszünetet biztosít a busz áramának eltérülése ellen, amely a jel modulációjából adódik, és megakadályozza a jel visszaverődését a fővonal végén, így megakadályozza a zajok és jitter (digitális jel fázis-ingadozása) megjelenését. Így a terminátor segít elkerülni a pontatlan adatok megjelenését a hálózatban vagy akár az adatok elvesztését is.
Minden H1-szegmensben kötelező két terminátor jelenléte a szegmens végén. A Phoenix Contact busz tápegységei és csatlakozási eszközei kiiktatható terminátorokkal vannak felszerelve. A hálózatban lévő felesleges terminátorok, például hibából adódóan, jelentősen csökkenthetik az interfészhullámon a jel szintjét.
Információcsere a szegmensek között
Az információcsere a terepi eszközök között nem korlátozódik egyetlen szegmensre, hanem lehetőség van különböző hálózati szakaszok közötti kapcsolatra, amelyeket vezérlő vagy Ethernet-alapú vállalati hálózaton keresztül lehet összekapcsolni. Ehhez a Foundation Fieldbus HSE protokoll vagy egy elterjedtebb, például Modbus TCP protokoll használható.
HSE hálózat kiépítésekor ipari kivitelű switch-eket alkalmaznak. A protokoll lehetőséget biztosít gyűrűs redundanciára. Ebben az esetben érdemes figyelembe venni, hogy gyűrűs topológiában a switch-eknek az egyik redundancia protokollt kell használniuk (RSTP, MRP vagy Extended Ring Redundancy) a hálózat mérete és az elágazás megszakadása esetén szükséges konvergens idő függvényében.
HSE-alapú rendszerek integrációja harmadik fél rendszerekkel az OPC technológia alkalmazásával lehetséges.
Robbanásbiztonsági módszerek
Robbanásbiztos rendszer létrehozásához nem elegendő csupán a berendezések robbanásbiztonsági jellemzőire és azok helyes elhelyezésére támaszkodni az objektumon. A rendszer keretein belül mindegyik eszköz nem önállóan működik, hanem egy egységes hálózat részeként. A Foundation Fieldbus H1 hálózatokban az információcsere a robbanásveszélyes zónákban elhelyezett eszközök között nemcsak az adatok átvitelére, hanem elektromos energia átadására is vonatkozik. Az a mennyiségű energia, amely egy zónában megengedett, másutt nem biztos, hogy elfogadható. Ezért a robbanásbiztonság értékeléséhez és az optimális biztosítási módszer kiválasztásához rendszerszemléletet alkalmaznak. Az ilyen módszerek közül a szikramentesség biztosításának módszerei váltak a legelterjedtebbé.
A mezőbuszok esetében jelenleg több módszer létezik a szikramentesség biztosítására: a hagyományos szikramentesítési akadályok módszere, a FISCO koncepció és a High Power Trunk (HPT) technológia.
Az első a szikramentesítési akadályok alkalmazásán alapul, és egy bevált koncepciót valósít meg, amelyet 4-20 mA analóg jelek alapú irányítási rendszerekben használtak. Ez a módszer egyszerű és megbízható, azonban korlátozza a mezőeszközök táplálását a robbanásveszélyes 0-ás és 1-es zónákban 80 mA-ra. Ilyen esetben optimista becslés alapján legfeljebb 4 mezőeszköz csatlakoztatható egy 20 mA fogyasztású szegmensen, de a gyakorlatban legfeljebb 2. Ilyenkor a rendszer elveszíti az összes előnyét, amely a Foundation Fieldbus-ban létezik, és lényegében pont-pont topológiához vezet, amikor a nagy mennyiségű mezőeszközt a rendszert számos szegmensre kell bontani. Emellett ez a módszer jelentősen korlátozza a fő kábel és az elágazások hosszát.
A FISCO koncepcióját a "Német Szabványügyi Intézet" dolgozta ki, és később bekerült az IEC szabványokba, majd a GOST-ba is. A mezőhálózat szikra-mentességének garantálása érdekében a koncepció olyan alkatrészek használatát javasolja, amelyek megfelelnek bizonyos korlátozásoknak. Ilyen korlátozásokat határoznak meg az energiaforrások kimeneti teljesítményére, a mezőberendezések fogyasztott teljesítményére és induktivitására, valamint a kábelek ellenállására, kapacitására és induktivitására. Ezek a korlátozások azzal függenek össze, hogy a kapacitív és induktív elemek képesek energia tárolására, amely vészhelyzetben, ha a rendszer bármely eleme sérül, kiszabadulhat és szikra kisülést okozhat. Ezenkívül a koncepció tiltaná a tápegység tartalékainak használatát.
A FISCO jelentősen nagyobb áramot biztosít az eszközök táplálására robbanásveszélyes zónákban, mint a mezői határok módszere. Itt 115 mA áll rendelkezésre, amely elegendő 4-5 eszköz táplálására a szegmensen belül. Ugyanakkor itt is vannak korlátozások a fő kábel és az elágazások hosszára vonatkozóan.
A High Power Trunk technológia jelenleg a legelterjedtebb szikra-mentességet biztosító technológia a Foundation Fieldbus hálózatokban, mivel mentes azoktól a hátrányoktól, amelyek a barikádokkal védett vagy a FISCO alapján épített hálózatokban jelentkeznek. Az HPT használatával elérhetővé vált a mezőberendezések határértéke a hálózaton belül.
A technológia nem korlátozza a hálózat elektromos paramétereit ott, ahol erre nincs szükség, például a fő kommunikációs vonalon, ahol nincs szükség a berendezések karbantartására és cseréjére. A robbanásveszélyes zónában elhelyezkedő mezőberendezések csatlakoztatásához mezői határfunkcióval rendelkező csatolóeszközöket használnak, amelyek korlátozzák a hálózat elektromos paramétereit a szenzorok táplálására, és közvetlenül az irányítási objektum mellett helyezkednek el. Ebben az esetben a szegmens teljes hosszában az Ex e (megerősített védelem) robbanásvédelmi módot alkalmazzák.
Forrás: habr.com
