A Foundation Fieldbus egy digitális kommunikációs rendszer, amelyet az automatizálásban használnak a Profibus, Modbus vagy HART mellett. A technológia valamivel később jelent meg, mint versenytársai: a szabvány első kiadása 1996-ból származik, és jelenleg két protokollt tartalmaz a hálózati résztvevők közötti információcserére - H1 és HSE (High Speed Ethernet).
A H1 protokoll az érzékelő és a vezérlő szintjén történő információcserére szolgál, hálózata az IEC 61158-2 fizikai réteg szabványon alapul, 31,25 kbit/s adatátviteli sebességet tesz lehetővé. Ebben az esetben lehetőség van a terepi eszközök tápellátására az adatbuszról. A HSE hálózat nagy sebességű Ethernet hálózatokra épül (100/1000 Mbit/s), és automatizált folyamatirányító rendszer hálózat kiépítésére szolgál vezérlők és vállalatirányítási rendszerek szintjén.
A technológia bármely ipari létesítmény automatizált folyamatirányító rendszereinek kiépítésében alkalmazható, de legelterjedtebb az olaj- és gázipari, valamint a vegyipari vállalkozásoknál.
Technológiai képességek
A Foundation Fieldbust az analóg érzékelőkön alapuló automatizált vezérlőrendszerek hagyományos modelljének alternatívájaként fejlesztették ki, és számos előnnyel rendelkezik mind a hagyományos modellel, mind a Profibus vagy HART alapú digitális rendszerekkel szemben.
Az egyik fő előny a rendszerek nagyfokú megbízhatósága és hibatűrése H1, amely két tényezőnek köszönhető:
- intelligens eszközök (érzékelők és aktuátorok) terepi szintű használata;
- a terepi szintű eszközök közötti információcsere közvetlen megszervezésének képessége vezérlő részvétele nélkül.
A terepi eszközök intelligenciája abban rejlik, hogy képesek olyan vezérlési és információfeldolgozási algoritmusokat megvalósítani, amelyeket hagyományosan a vezérlőben implementálnak. A gyakorlatban ez lehetővé teszi, hogy a rendszer akkor is tovább működjön, ha a vezérlő meghibásodik. Ehhez az szükséges, hogy a terepi eszközöket megfelelően konfigurálják, és megbízható terepi busz tápellátást kell biztosítani.
A vezérlőrendszer digitalizálásából és az intelligens érzékelők használatából adódó további előnyök közé tartozik az a képesség, hogy a mérésen túl több adat nyerhető minden terepi eszközről, ami végső soron kiterjeszti a folyamatfelügyelet hatókörét, amely a hagyományos analóg rendszerekben a jel bemeneti/kimeneti rendszerre korlátozódik. .
A busztopológia használata a H1 hálózatban lehetővé teszi a kábelvonalak hosszának, a szerelési munkák mennyiségének csökkentését, valamint a vezérlőrendszerekben a kiegészítő berendezések használatának kiküszöbölését: bemeneti/kimeneti modulok, tápegységek, valamint veszélyes területeken - szikra. védőkorlátok.
A H1 lehetővé teszi 4-20 mA-es szenzoros kommunikációs kábelek használatát, amelyek a régebbi vezérlőrendszerek korszerűsítésekor használhatók. A belső biztonsági elvek alkalmazásának köszönhetően a technológiát aktívan használják robbanásveszélyes környezetben. Maga a szabványosítás garantálja a különböző gyártók berendezéseinek felcserélhetőségét és kompatibilitását, az átjáró eszközöknek köszönhetően pedig lehetőség nyílik a terepi eszközök hálózatának és a vállalkozások Ethernetre épített ipari vezérlőrendszer hálózatának interfészére.
A Foundation Fieldbus H1 leginkább a Profibus PA rendszerekhez hasonlít. Mindkét technológia ugyanazon a fizikai réteg szabványon alapul, így ezeknek a rendszereknek azonos az adatátviteli sebessége, a manchesteri kódolás használata, a kommunikációs vonal elektromos paraméterei, a lehetséges átvitt teljesítmény nagysága, valamint a hálózatban megengedett legnagyobb kábelhossz. szegmens (1900 m). Mindkét rendszerben akár 4 átjátszó is használható, aminek köszönhetően a szegmens hossza már elérheti a 9,5 km-t. Gyakoriak a lehetséges hálózati topológiák a vezérlőrendszerben, valamint a belső biztonság biztosításának alapelvei.
Rendszer összetevők
Az Foundation Fieldbus H1 hálózat fő elemei:
- decentralizált vezérlőrendszer (DCS) vezérlő;
- terepi busz tápegységek;
- blokk vagy moduláris interfész eszközök;
- buszvégállomások;
- intelligens terepi eszközök.
A rendszer tartalmazhat átjáró eszközöket (Linking Device), protokoll konvertereket, SPD-ket és átjátszókat is.
Hálózati topológia
A H1 hálózatban fontos fogalom a szegmens fogalma. Ez egy fő kommunikációs vonal (Trunk), amelyből ágak nyúlnak ki (Spur), amelyre terepi eszközök csatlakoznak. A főkábel a busz tápforrásánál kezdődik, és általában az utolsó interfész eszköznél ér véget. A vezérlő és a terepi eszközök közötti kommunikációhoz négyféle topológia engedélyezett: pont-pont, hurok, busz és fa. Minden szegmens különálló topológia vagy azok kombinációi alapján építhető fel.
Pont-pont topológiával minden terepi eszköz közvetlenül csatlakozik a vezérlőhöz. Ebben az esetben minden csatlakoztatott terepi eszköz saját hálózati szegmenst alkot. Ez a topológia kényelmetlen, mert megfosztja a rendszert szinte minden, a Foundation Fieldbusban rejlő előnytől. Túl sok interfész van a vezérlőn, és a terepi eszközök adatbuszról történő táplálásához minden kommunikációs vonalnak saját terepi busz tápellátással kell rendelkeznie. A kommunikációs vonalak hossza túl hosszúnak bizonyul, és az eszközök közötti információcsere csak a vezérlőn keresztül történik, ami nem teszi lehetővé a H1 rendszerek magas hibatűrésének elvét.
A huroktopológia magában foglalja a terepi eszközök egymáshoz való soros csatlakoztatását. Itt az összes terepi eszköz egy szegmensben van egyesítve, ami kevesebb erőforrás felhasználását teszi lehetővé. Ennek a topológiának azonban vannak hátrányai is - mindenekelőtt olyan módszereket kell biztosítani, amelyeknél az egyik közbenső érzékelő meghibásodása nem vezet a kommunikáció elvesztéséhez a többiekkel. Egy másik hátránya a kommunikációs vonal rövidzárlat elleni védelemének hiánya, amelyben az információcsere a szegmensben lehetetlen lesz.
Két másik hálózati topológia a legnagyobb megbízhatósággal és gyakorlatiassággal rendelkezik - a busz és fa topológia, amelyek a gyakorlatban a legnagyobb eloszlást találták a H1 hálózatok építésénél. E topológiák mögött az a gondolat áll, hogy interfész eszközökkel csatlakoztassák a terepi eszközöket a gerinchálózathoz. A csatolóeszközök lehetővé teszik, hogy minden terepi eszközt a saját interfészéhez csatlakoztassunk.
Hálózati beállítások
A H1 hálózat kiépítésénél fontos kérdések a fizikai paraméterei - hány terepi eszköz használható egy szegmensben, mekkora egy szegmens maximális hossza, milyen hosszúak lehetnek az elágazások. Ezekre a kérdésekre a válasz a terepi készülékek tápellátásának típusától és energiafogyasztásától, veszélyes területek esetében pedig a gyújtószikramentes biztonság biztosításának módszereitől függ.
A terepi eszközök maximális száma egy szegmensben (32) csak akkor érhető el, ha helyi forrásból táplálják őket a helyszínen, és ha a gyújtószikramentes biztonság nem áll rendelkezésre. Ha az érzékelőket és aktuátorokat az adatbuszról táplálja, az eszközök maximális száma legfeljebb 12 lehet, a belső biztonsági módszerektől függően.
A terepi eszközök számának függősége a tápellátás módjától és a gyújtószikramentes biztonság biztosításának módszereitől.
A hálózati szegmens hosszát a használt kábel típusa határozza meg. A maximális 1900 m-es hossz A típusú kábel (sodort érpár, árnyékolás) használatával érhető el. D típusú kábel (nem sodrott többerű kábel közös árnyékolással) használatakor - csak 200 m. Egy szegmens hossza a főkábel és az abból származó összes ág hosszának összegeként értendő.
A szegmens hosszának függése a kábel típusától.
Az ágak hossza a hálózati szegmensben lévő eszközök számától függ. Tehát 12-ig terjedő eszközök számával ez maximum 120 m. Ha egy szegmensben 32 eszközt használunk, az ágak maximális hossza csak 1 m. Ha terepi eszközöket hurokkal csatlakoztatunk, minden további eszköz 30 m-rel csökkenti az ág hosszát.
A főkábel ágainak hosszának függése a szegmensben lévő terepi eszközök számától.
Mindezek a tényezők közvetlenül befolyásolják a rendszer szerkezetét és topológiáját. A hálózattervezési folyamat felgyorsítása érdekében speciális szoftvercsomagokat használnak, mint például a DesignMate a FieldComm csoporttól vagy a Fieldbus Network Planner a Phoenix Contacttól. A programok lehetővé teszik a H1 hálózat fizikai és elektromos paramétereinek kiszámítását, figyelembe véve az összes lehetséges korlátozást.
A rendszerelemek célja
Vezérlő
A vezérlő feladata a hálózatot szolgáltatási üzenetek küldésével kezelő fő eszköz, a Link Active Scheduler (LAS) funkcióinak megvalósítása. A LAS információcserét kezdeményez a hálózat résztvevői között tervezett (ütemezett) vagy nem ütemezett üzenetekkel, diagnosztizál és szinkronizál minden eszközt.
Ezenkívül a vezérlő felelős a terepi eszközök automatikus címzéséért, és átjáróként működik, Ethernet interfészt biztosítva a Foundation Fieldbus HSE vagy más kommunikációs protokollon alapuló vezérlőrendszer felső szintjével való kommunikációhoz. A rendszer legfelső szintjén a vezérlő biztosítja a kezelői felügyeleti és vezérlési funkciókat, valamint a terepi eszközök távoli konfigurálásához szükséges funkciókat.
A hálózatban több Active Link Scheduler is lehet, ami garantálja a beléjük ágyazott funkciók redundanciáját. A modern rendszerekben a LAS funkciók egy átjáró eszközben valósíthatók meg, amely protokoll-átalakítóként működik a Foundation Fieldbus HSE-től eltérő szabványon alapuló vezérlőrendszerek számára.
Terepi busz tápegységek
A H1 hálózatban az áramellátó rendszer kiemelt szerepet játszik, mert az adatcsere lehetővé tételéhez az adatkábel feszültségét a 9-32 V DC tartományban kell tartani. Akár adatbuszról, akár terepi tápegységről táplálják a terepi eszközöket, a hálózatnak busztápegységekre van szüksége.
Ezért fő céljuk a buszon szükséges elektromos paraméterek fenntartása, valamint a hálózatra csatlakoztatott eszközök tápellátása. A busz tápegységei abban különböznek a hagyományos tápegységektől, hogy az adatátviteli frekvenciákon megfelelő kimeneti áramköri impedanciával rendelkeznek. Ha közvetlenül 1 vagy 12 V-os tápegységet használ a H24 hálózat táplálására, akkor a jel elveszik, és a buszon az információcsere nem lehetséges.
Redundáns terepibusz-tápegységek FB-PS (szerelvény 4 szegmenshez).
Tekintettel a megbízható busztáp biztosításának fontosságára, az egyes hálózati szegmensek tápegységei redundánsak lehetnek. A Phoenix Contact FB-PS tápegységei támogatják az Auto Current Balancing technológiát. Az ASV szimmetrikus terhelést biztosít az áramforrások között, ami jótékony hatással van azok hőmérsékleti viszonyaira, és végső soron élettartamuk növekedéséhez vezet.
A H1 tápegység rendszerint a vezérlőszekrényben található.
Interfész eszközök
A csatolóeszközök arra szolgálnak, hogy terepi eszközök egy csoportját csatlakoztassák a fő adatbuszhoz. Az általuk ellátott funkciók alapján két típusra oszthatók: szegmensvédelmi modulokra (Segment Protectors) és terepi sorompókra (Field Barriers).
Típustól függetlenül az interfész eszközök megvédik a hálózatot a rövidzárlatoktól és a túláramoktól a kimenő vonalakban. Rövidzárlat esetén az interfész eszköz blokkolja az interfész portot, megakadályozva, hogy a rövidzár átterjedjen a rendszerre, és így garantálja az információcserét más hálózati eszközök között. A rövidzárlat megszüntetése után a korábban blokkolt kommunikációs port újra működni kezd.
A terepi korlátok emellett galvanikus leválasztást biztosítanak a főbusz nem gyújtószikramentes áramkörei és a csatlakoztatott terepi eszközök (ágak) gyújtószikramentes áramkörei között.
Fizikailag az interfész eszközök is kétféle - blokk és moduláris. Az FB-12SP típusú blokk interfész eszközök szegmensvédelmi funkcióval lehetővé teszik a gyújtószikramentes IC áramkörök használatát a 2. zónában lévő terepi eszközök csatlakoztatásához, az FB-12SP ISO térkorlátok pedig lehetővé teszik az 1. és 0. zónában lévő eszközök csatlakoztatását gyújtószikramentes IA használatával áramkörök.
FB-12SP és FB-6SP csatolók a Phoenix Contacttól.
A moduláris eszközök egyik előnye, hogy a terepi eszközök csatlakoztatásához szükséges csatornák számának kiválasztásával a rendszer méretezhető. Ezenkívül a moduláris eszközök rugalmas szerkezetek létrehozását teszik lehetővé. Egy elosztó szekrényben lehetőség van a szegmensvédelmi modulok és a terepi korlátok kombinálására, azaz a különböző robbanásveszélyes zónákban elhelyezett terepi eszközök egy szekrényből történő összekapcsolására. Összesen legfeljebb 12 kétcsatornás FB-2SP modul vagy egycsatornás FB-ISO sorompó modul telepíthető egy buszra, így egy szekrénytől a 24. zónában 2 terepi eszközhöz vagy az 12. zónában akár 1 érzékelőhöz, ill. 0.
Az interfész eszközök széles hőmérsékleti tartományban üzemeltethetők, és legalább IP54-es por- és nedvességvédelmi fokú Ex e, Ex d robbanásbiztos burkolatokba szerelhetők be, beleértve a vezérlő objektum lehető legközelebbit is.
Túlfeszültség-védelmi eszközök
A H1 terepi szintű hálózatok nagyon hosszú szegmenseket alkothatnak, és a kommunikációs vonalak olyan helyeken is futhatnak, ahol túlfeszültségek lehetségesek. Az impulzus-túlfeszültség alatt a villámkisülések vagy a közeli kábelvonalakban fellépő rövidzárlatok által okozott potenciálkülönbségek értendők. Az indukált feszültség, amelynek nagysága több kilovolt nagyságrendű, kiloamperes kisülési áramokat okoz. Mindezek a jelenségek mikroszekundumon belül jelentkeznek, de a H1 hálózati összetevők meghibásodásához vezethetnek. A berendezések ilyen jelenségekkel szembeni védelme érdekében SPD-t kell használni. Az SPD-k használata a hagyományos átvezető kapcsok helyett garantálja a rendszer megbízható és biztonságos működését kedvezőtlen körülmények között is.
Működési elve egy nanoszekundumos tartományú kvázizárlat alkalmazásán alapul a kisülési áramok áramlására olyan áramkörben, amely olyan elemeket használ, amelyek képesek ellenállni az ilyen nagyságú áramok áramlásának.
Nagyon sokféle SPD létezik: egycsatornás, kétcsatornás, cserélhető csatlakozókkal, különféle típusú diagnosztikával - villogó, száraz érintkező formájában. A Phoenix Contact legmodernebb diagnosztikai eszközei lehetővé teszik a túlfeszültség-védők monitorozását Ethernet-alapú digitális szolgáltatások segítségével. A vállalat oroszországi üzeme robbanásveszélyes környezetben való használatra tanúsított eszközöket gyárt, beleértve a Foundation Fieldbus rendszereket.
Buszvégállomás
A terminátor két funkciót lát el a hálózatban - söntöli a terepi busz áramát, amely a jelmoduláció következtében keletkezik, és megakadályozza, hogy a jel visszaverődjön a fővezeték végeiről, így megakadályozza a zaj és a jitter (fázis jitter) megjelenését. digitális jel). Így a terminátor lehetővé teszi, hogy elkerülje a pontatlan adatok megjelenését a hálózaton vagy az adatok elvesztését.
A H1 hálózat minden szegmensében a szegmens mindkét végén két-két terminátornak kell lennie. A Phoenix Contact busz tápegységei és csatolói kapcsolható terminátorokkal vannak felszerelve. Extra terminátorok jelenléte a hálózatban, például egy hiba miatt, jelentősen csökkenti a jelszintet az interfész vonalában.
A szegmensek közötti információcsere
A terepi eszközök közötti információcsere nem korlátozódik egy szegmensre, hanem a hálózat különböző szakaszai között lehetséges, amelyek vezérlőn vagy Ethernet alapú üzemi hálózaton keresztül kapcsolhatók össze. Ebben az esetben a Foundation Fieldbus HSE protokoll vagy egy népszerűbb protokoll, például a Modbus TCP használható.
HSE hálózat kiépítésénél ipari szintű kapcsolókat használnak. A protokoll lehetővé teszi a gyűrű redundanciáját. Ebben az esetben érdemes megjegyezni, hogy a gyűrűs topológiában a kapcsolóknak a kommunikációs csatornák megszakadása esetén a mérettől és a szükséges hálózati konvergenciaidőtől függően a redundancia protokollok egyikét (RSTP, MRP vagy Extended Ring Redundancy) kell használniuk.
HSE-alapú rendszerek integrálása harmadik féltől származó rendszerekkel OPC technológia segítségével lehetséges.
Robbanásbiztos módszerek
A robbanásbiztos rendszer létrehozásához nem elég, ha csak a berendezés robbanásbiztos jellemzőitől és a helyszínen történő helyes elhelyezésének megválasztásától kell vezérelni. A rendszeren belül az egyes eszközök nem önállóan, hanem egyetlen hálózaton belül működnek. A Foundation Fieldbus H1 hálózatokban a különböző veszélyes területeken elhelyezett eszközök közötti információcsere nemcsak adatátvitelt, hanem elektromos energia átvitelét is magában foglalja. Az az energiamennyiség, amely az egyik zónában elfogadható volt, nem biztos, hogy a másikban elfogadható. Ezért szisztematikus megközelítést alkalmaznak a terepi hálózatok robbanásbiztonságának felmérésére és az optimális módszer kiválasztására. E módszerek közül a legszélesebb körben alkalmazott módszerek a belső biztonság biztosítására.
Ami a terepi buszokat illeti, jelenleg többféle módszer létezik a belső biztonság elérésére: a hagyományos IS sorompó módszer, a FISCO koncepció és a High Power Trunk Technology (HPT) technológia.
Az első az IS akadályok használatán alapul, és egy bevált koncepciót valósít meg, amelyet a 4-20 mA-es analóg jeleken alapuló vezérlőrendszerekben alkalmaztak. Ez a módszer egyszerű és megbízható, de a 0 és 1 veszélyes zónában lévő terepi eszközök tápellátását 80 mA-re korlátozza. Ebben az esetben egy optimista előrejelzés szerint szegmensenként legfeljebb 4, 20 mA-es fogyasztású terepi eszköz csatlakoztatható, a gyakorlatban azonban legfeljebb 2. Ebben az esetben a rendszer elveszíti minden létező előnyét Foundation Fieldbus-ban, és valójában pont-pont topológiához vezet, amikor nagyszámú terepi eszköz csatlakoztatásához a rendszert több szegmensre kell osztani. Ez a módszer jelentősen korlátozza a fő kábel és az ágak hosszát is.
A FISCO koncepciót a „Németországi Nemzeti Metrológiai Intézet” dolgozta ki, és később bekerült az IEC szabványokba, majd a GOST-ba. A terepi hálózat gyújtószikramentes biztonsága érdekében a koncepció bizonyos korlátozásoknak megfelelő alkatrészek alkalmazását foglalja magában. Hasonló korlátozásokat fogalmaznak meg a tápegységekre a kimeneti teljesítmény tekintetében, a terepi eszközökre az energiafogyasztás és az induktivitás tekintetében, a kábelekre az ellenállás, a kapacitás és az induktivitás tekintetében. Az ilyen korlátozások abból adódnak, hogy a kapacitív és induktív elemek energiát halmozhatnak fel, amely vészüzemmódban a rendszer bármely elemének károsodása esetén felszabadulhat és szikrakisülést okozhat. Ezenkívül a koncepció tiltja a redundancia alkalmazását a busz táprendszerében.
A FISCO nagyobb áramerősséget biztosít a veszélyes területeken lévő eszközök táplálásához, mint a terepi korlátos módszer. Itt 115 mA érhető el, amivel a szegmensben 4-5 készülék táplálható. Ugyanakkor a főkábel és az ágak hosszára vonatkozóan is vannak korlátozások.
A High Power Trunk technológia jelenleg a Foundation Fieldbus hálózatok legelterjedtebb belső biztonsági technológiája, mivel nem rendelkezik az akadályokkal védett vagy FISCO hálózatok hátrányaival. A HPT használatával egy hálózati szegmensben elérhető a terepi eszközök korlátja.
A technológia nem korlátozza a hálózat elektromos paramétereit ott, ahol erre nincs szükség, például gerinchálózati kommunikációs vonalon, ahol nincs szükség karbantartásra és berendezések cseréjére. A robbanásveszélyes zónában elhelyezett terepi eszközök csatlakoztatásához terepi sorompó funkcióval rendelkező interfész eszközöket használnak, amelyek korlátozzák az érzékelők táplálására szolgáló hálózat elektromos paramétereit, és közvetlenül a vezérlőobjektum mellett helyezkednek el. Ebben az esetben az Ex e (fokozott védelem) típusú robbanásvédelem a teljes szegmensben használatos.
Forrás: will.com