Foundation Fieldbus adalah sistem komunikasi digital yang digunakan dalam otomatisasi bersama dengan Profibus, Modbus atau HART. Teknologi ini muncul agak lambat dibandingkan para pesaingnya: edisi pertama standar ini dimulai pada tahun 1996 dan saat ini mencakup dua protokol untuk pertukaran informasi antara peserta jaringan - H1 dan HSE (High Speed ββββEthernet).
Protokol H1 digunakan untuk pertukaran informasi di tingkat sensor dan pengontrol, dan jaringannya didasarkan pada standar lapisan fisik IEC 61158-2, yang memungkinkan kecepatan transfer data 31,25 kbit/s. Dalam hal ini, dimungkinkan untuk menyuplai daya ke perangkat lapangan dari bus data. Jaringan HSE didasarkan pada jaringan Ethernet berkecepatan tinggi (100/1000 Mbit/s) dan digunakan untuk membangun jaringan sistem kontrol proses otomatis di tingkat pengontrol dan sistem manajemen perusahaan.
Teknologi ini dapat diterapkan dalam pembangunan sistem kontrol proses otomatis di fasilitas industri mana pun, tetapi teknologi ini paling banyak digunakan di perusahaan-perusahaan di industri minyak dan gas serta industri kimia.
Kemampuan teknologi
Foundation Fieldbus dikembangkan sebagai alternatif model tradisional sistem kontrol otomatis berdasarkan sensor analog dan memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan model tradisional dan sistem digital berdasarkan Profibus atau HART.
Salah satu keuntungan utama adalah tingkat keandalan dan toleransi kesalahan sistem yang tinggi H1, yang dicapai karena dua faktor:
- penggunaan perangkat cerdas (sensor dan aktuator) di tingkat lapangan;
- kemampuan untuk mengatur pertukaran informasi secara langsung antara perangkat tingkat lapangan tanpa partisipasi pengontrol.
Kecerdasan perangkat lapangan terletak pada kemampuan untuk mengimplementasikan algoritma kontrol dan pemrosesan informasi yang secara tradisional diterapkan pada pengontrol. Dalam praktiknya, hal ini memungkinkan sistem untuk terus beroperasi meskipun pengontrol gagal. Hal ini memerlukan konfigurasi perangkat lapangan yang tepat dan penyediaan catu daya fieldbus yang andal.
Manfaat tambahan yang diperoleh dari digitalisasi sistem kontrol dan penggunaan sensor cerdas mencakup kemampuan untuk memperoleh lebih banyak data di luar pengukuran dari setiap perangkat lapangan, yang pada akhirnya memperluas cakupan pemantauan proses yang dalam sistem analog tradisional terbatas pada sistem input/output sinyal. . .
Penggunaan topologi bus di jaringan H1 memungkinkan Anda mengurangi panjang jalur kabel, jumlah pekerjaan instalasi, dan menghilangkan penggunaan peralatan tambahan dalam sistem kontrol: modul input/output, catu daya, dan di area berbahaya - percikan hambatan perlindungan.
H1 memungkinkan penggunaan kabel komunikasi sensor 4-20 mA, yang dapat digunakan saat meningkatkan sistem kontrol lama. Berkat penggunaan prinsip keselamatan intrinsik, teknologi ini digunakan secara aktif di lingkungan yang mudah meledak. Standardisasi itu sendiri menjamin pertukaran dan kompatibilitas peralatan dari produsen yang berbeda, dan berkat perangkat gateway, dimungkinkan untuk menghubungkan jaringan perangkat lapangan dan jaringan sistem kontrol industri perusahaan yang dibangun di atas Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 paling mirip dengan sistem Profibus PA. Kedua teknologi tersebut didasarkan pada standar lapisan fisik yang sama, sehingga sistem ini memiliki kecepatan transfer data yang sama, penggunaan pengkodean Manchester, parameter kelistrikan jalur komunikasi, jumlah daya yang mungkin ditransmisikan, dan panjang kabel maksimum yang diizinkan dalam suatu jaringan. segmen (1900 m). Selain itu, pada kedua sistem dimungkinkan untuk menggunakan hingga 4 repeater, sehingga panjang segmennya sudah bisa mencapai 9,5 km. Kemungkinan topologi jaringan dalam sistem kontrol, serta prinsip-prinsip untuk memastikan keamanan intrinsik, adalah hal yang umum.
Komponen sistem
Elemen utama dari jaringan Foundation Fieldbus H1 adalah:
- pengontrol sistem kendali terdesentralisasi (DCS);
- pasokan listrik fieldbus;
- perangkat antarmuka blok atau modular;
- terminator bus;
- perangkat lapangan cerdas.
Sistem juga dapat berisi perangkat gateway (Perangkat Penghubung), konverter protokol, SPD, dan repeater.
Topologi jaringan
Konsep penting dalam jaringan H1 adalah konsep segmen. Ini adalah jalur komunikasi utama (Batang), dengan cabang-cabang yang memanjang darinya (Spur), yang menghubungkan perangkat lapangan. Kabel utama dimulai dari sumber listrik bus dan biasanya berakhir pada perangkat antarmuka terakhir. Empat jenis topologi diperbolehkan untuk komunikasi antara pengontrol dan perangkat lapangan: point-to-point, loop, bus dan tree. Setiap segmen dapat dibangun menggunakan topologi terpisah atau menggunakan kombinasinya.
Dengan topologi point-to-point, setiap perangkat lapangan terhubung langsung ke pengontrol. Dalam hal ini, setiap perangkat lapangan yang terhubung membentuk segmen jaringannya sendiri. Topologi ini tidak nyaman karena menghilangkan hampir semua keunggulan sistem yang melekat pada Foundation Fieldbus. Ada terlalu banyak antarmuka pada pengontrol, dan untuk memberi daya pada perangkat lapangan dari bus data, setiap jalur komunikasi harus memiliki catu daya bus lapangannya sendiri. Panjang jalur komunikasi ternyata terlalu panjang, dan pertukaran informasi antar perangkat hanya dilakukan melalui pengontrol, yang tidak memungkinkan penggunaan prinsip toleransi kesalahan yang tinggi pada sistem H1.
Topologi loop menyiratkan koneksi serial perangkat lapangan satu sama lain. Di sini, semua perangkat lapangan digabungkan menjadi satu segmen, yang memungkinkan penggunaan sumber daya lebih sedikit. Namun, topologi ini juga memiliki kelemahan - pertama-tama, perlu disediakan metode di mana kegagalan salah satu sensor perantara tidak akan menyebabkan hilangnya komunikasi dengan sensor lainnya. Kelemahan lainnya dijelaskan oleh kurangnya perlindungan terhadap korsleting pada jalur komunikasi, sehingga pertukaran informasi di segmen tersebut tidak mungkin dilakukan.
Dua topologi jaringan lainnya memiliki keandalan dan kepraktisan terbesar - topologi bus dan pohon, yang paling banyak digunakan dalam praktiknya ketika membangun jaringan H1. Ide di balik topologi ini adalah dengan menggunakan perangkat antarmuka untuk menghubungkan perangkat lapangan ke tulang punggung. Perangkat kopling memungkinkan setiap perangkat lapangan dihubungkan ke antarmukanya sendiri.
Pengaturan jaringan
Pertanyaan penting saat membangun jaringan H1 adalah parameter fisiknya - berapa banyak perangkat lapangan yang dapat digunakan dalam suatu segmen, berapa panjang maksimum suatu segmen, berapa panjang cabangnya. Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini bergantung pada jenis pasokan listrik dan konsumsi energi perangkat lapangan, dan untuk area berbahaya, metode untuk memastikan keselamatan intrinsik.
Jumlah maksimum perangkat lapangan di segmen (32) hanya dapat dicapai jika perangkat tersebut diberi daya dari sumber lokal di lokasi dan jika keselamatan intrinsik tidak tersedia. Saat menyalakan sensor dan aktuator dari bus data, jumlah maksimum perangkat mungkin hanya 12 atau kurang tergantung pada metode keamanan intrinsik.
Ketergantungan jumlah perangkat lapangan pada metode pasokan listrik dan metode untuk memastikan keamanan intrinsik.
Panjang segmen jaringan ditentukan oleh jenis kabel yang digunakan. Panjang maksimum 1900 m dicapai bila menggunakan kabel tipe A (twisted pair dengan pelindung). Saat menggunakan kabel tipe D (bukan kabel multiinti yang dipilin dengan pelindung umum) - hanya 200 m Panjang suatu segmen dipahami sebagai jumlah dari panjang kabel utama dan semua cabang darinya.
Ketergantungan panjang segmen pada jenis kabel.
Panjang cabang tergantung pada jumlah perangkat di segmen jaringan. Jadi, dengan jumlah perangkat maksimal 12, maksimal 120 m. Bila menggunakan 32 perangkat dalam satu segmen, panjang maksimum cabang hanya 1 m. Saat menghubungkan perangkat lapangan dengan loop, setiap perangkat tambahan mengurangi panjang cabang sebesar 30 m.
Ketergantungan panjang cabang pada kabel utama pada jumlah perangkat lapangan di segmen tersebut.
Semua faktor ini secara langsung mempengaruhi struktur dan topologi sistem. Untuk mempercepat proses desain jaringan, digunakan paket perangkat lunak khusus, seperti DesignMate dari FieldComm Group atau Fieldbus Network Planner dari Phoenix Contact. Program ini memungkinkan Anda menghitung parameter fisik dan listrik jaringan H1, dengan mempertimbangkan semua kemungkinan batasan.
Tujuan dari komponen sistem
Pengendali
Tugas pengontrol adalah mengimplementasikan fungsi Link Active Scheduler (LAS), perangkat utama yang mengelola jaringan dengan mengirimkan pesan layanan. LAS memulai pertukaran informasi antara peserta jaringan dengan pesan terencana (terjadwal) atau tidak terjadwal, mendiagnosis dan menyinkronkan semua perangkat.
Selain itu, pengontrol bertanggung jawab atas pengalamatan otomatis perangkat lapangan dan bertindak sebagai perangkat gateway, menyediakan antarmuka Ethernet untuk komunikasi dengan sistem kontrol tingkat atas berdasarkan Foundation Fieldbus HSE atau protokol komunikasi lainnya. Di tingkat atas sistem, pengontrol menyediakan fungsi pemantauan dan kontrol operator, serta fungsi untuk konfigurasi jarak jauh perangkat lapangan.
Mungkin ada beberapa Penjadwal Tautan Aktif di jaringan, yang menjamin redundansi fungsi yang tertanam di dalamnya. Dalam sistem modern, fungsi LAS dapat diimplementasikan dalam perangkat gateway yang bertindak sebagai konverter protokol untuk sistem kontrol yang dibangun berdasarkan standar selain Foundation Fieldbus HSE.
Catu daya Fieldbus
Sistem catu daya pada jaringan H1 memegang peranan penting, karena agar pertukaran data dapat berlangsung, tegangan pada kabel data harus dijaga pada kisaran 9 hingga 32 V DC. Apakah perangkat lapangan diberi daya oleh bus data atau catu daya lapangan, jaringan memerlukan catu daya bus.
Oleh karena itu, tujuan utamanya adalah untuk menjaga parameter kelistrikan yang diperlukan pada bus, serta memberi daya pada perangkat yang terhubung ke jaringan. Catu daya bus berbeda dari catu daya konvensional karena memiliki impedansi rangkaian keluaran yang sesuai pada frekuensi transmisi data. Jika Anda langsung menggunakan catu daya 1 atau 12 V untuk memberi daya pada jaringan H24, sinyal akan hilang dan pertukaran informasi di bus tidak dapat dilakukan.
Catu daya fieldbus redundan FB-PS (perakitan untuk 4 segmen).
Mengingat pentingnya menyediakan daya bus yang andal, pasokan listrik untuk setiap segmen jaringan dapat menjadi berlebihan. Catu daya Phoenix Contact FB-PS mendukung teknologi Auto Current Balancing. ASV memberikan beban simetris antar sumber daya, yang memiliki efek menguntungkan pada kondisi suhu dan pada akhirnya meningkatkan masa pakainya.
Sistem catu daya H1 biasanya terletak di kabinet pengontrol.
Perangkat antarmuka
Perangkat kopling dirancang untuk menghubungkan sekelompok perangkat lapangan ke bus data utama. Berdasarkan fungsinya, modul ini dibagi menjadi dua jenis: modul perlindungan segmen (Segment Protectors) dan penghalang lapangan (Field Barriers).
Apa pun jenisnya, perangkat antarmuka melindungi jaringan dari korsleting dan arus berlebih pada saluran keluar. Ketika terjadi hubungan pendek, perangkat antarmuka memblokir port antarmuka, mencegah hubungan pendek menyebar ke seluruh sistem dan dengan demikian menjamin pertukaran informasi antara perangkat jaringan lainnya. Setelah menghilangkan korsleting pada saluran, port komunikasi yang sebelumnya diblokir mulai berfungsi kembali.
Penghalang lapangan juga menyediakan isolasi galvanik antara sirkuit bus utama yang tidak aman secara intrinsik dan sirkuit perangkat lapangan (cabang) yang terhubung secara intrinsik aman.
Secara fisik, perangkat antarmuka juga terdiri dari dua jenis - blok dan modular. Perangkat antarmuka blok tipe FB-12SP dengan fungsi perlindungan segmen memungkinkan Anda menggunakan sirkuit IC yang secara intrinsik aman untuk menghubungkan perangkat lapangan di Zona 2, dan penghalang lapangan ISO FB-12SP memungkinkan Anda menghubungkan perangkat di Zona 1 dan 0 menggunakan IA yang secara intrinsik aman sirkuit.
Skrup FB-12SP dan FB-6SP dari Phoenix Contact.
Salah satu kelebihan perangkat modular adalah kemampuan untuk menskalakan sistem dengan memilih jumlah saluran yang diperlukan untuk menghubungkan perangkat lapangan. Selain itu, perangkat modular memungkinkan terciptanya struktur yang fleksibel. Dalam satu kabinet distribusi, dimungkinkan untuk menggabungkan modul perlindungan segmen dan penghalang lapangan, yaitu menghubungkan perangkat lapangan yang terletak di zona bahaya ledakan berbeda dari satu kabinet. Secara total, hingga 12 modul FB-2SP saluran ganda atau modul penghalang FB-ISO saluran tunggal dapat dipasang pada satu bus, sehingga menghubungkan dari satu kabinet ke 24 perangkat lapangan di Zona 2 atau hingga 12 sensor di Zona 1 atau 0.
Perangkat antarmuka dapat dioperasikan dalam rentang suhu yang luas dan dipasang di wadah tahan ledakan Ex e, Ex d dengan tingkat perlindungan debu dan kelembapan minimal IP54, termasuk sedekat mungkin dengan objek kontrol.
Perangkat perlindungan lonjakan arus
Jaringan tingkat lapangan H1 dapat membentuk segmen yang sangat panjang, dan jalur komunikasi dapat berjalan di tempat-tempat yang memungkinkan terjadi lonjakan gelombang. Tegangan lebih pulsa dipahami sebagai perbedaan potensial terinduksi yang disebabkan oleh pelepasan petir atau korsleting pada saluran kabel di dekatnya. Tegangan induksi, yang besarnya sekitar beberapa kilovolt, menyebabkan aliran arus pelepasan dalam kiloamper. Semua fenomena ini terjadi dalam hitungan mikrodetik, namun dapat mengakibatkan kegagalan komponen jaringan H1. Untuk melindungi peralatan dari fenomena tersebut, perlu menggunakan SPD. Penggunaan SPD sebagai pengganti terminal feed-through konvensional menjamin pengoperasian sistem yang andal dan aman dalam kondisi buruk.
Prinsip pengoperasiannya didasarkan pada penggunaan hubung singkat kuasi dalam rentang nanodetik untuk aliran arus pelepasan pada suatu rangkaian yang menggunakan elemen yang mampu menahan aliran arus sebesar tersebut.
Ada banyak jenis SPD: saluran tunggal, saluran ganda, dengan colokan yang dapat diganti, dengan berbagai jenis diagnostik - dalam bentuk penutup mata, kontak kering. Alat diagnostik canggih dari Phoenix Contact memungkinkan Anda memantau pelindung lonjakan arus menggunakan layanan digital berbasis Ethernet. Pabrik perusahaan di Rusia memproduksi perangkat yang disertifikasi untuk digunakan di lingkungan yang mudah meledak, termasuk sistem Foundation Fieldbus.
Terminator bus
Terminator melakukan dua fungsi dalam jaringan - melangsir arus bus lapangan, yang timbul sebagai akibat dari modulasi sinyal dan mencegah sinyal dipantulkan dari ujung saluran utama, sehingga mencegah munculnya kebisingan dan jitter (fase jitter sinyal digital). Dengan demikian, terminator menghindari munculnya data yang tidak akurat di jaringan atau hilangnya data sama sekali.
Setiap segmen jaringan H1 harus memiliki dua terminator di setiap ujung segmen. Catu daya dan skrup bus Kontak Phoenix dilengkapi dengan terminator yang dapat dialihkan. Kehadiran terminator tambahan dalam jaringan, misalnya karena kesalahan, akan mengurangi level sinyal di jalur antarmuka secara signifikan.
Pertukaran informasi antar segmen
Pertukaran informasi antar perangkat lapangan tidak terbatas pada satu segmen, namun dimungkinkan antar bagian jaringan yang berbeda, yang dapat dihubungkan melalui pengontrol atau jaringan perusahaan berbasis Ethernet. Dalam hal ini, protokol Foundation Fieldbus HSE atau yang lebih populer, misalnya Modbus TCP, dapat digunakan.
Saat membangun jaringan HSE, sakelar kelas industri digunakan. Protokol memungkinkan redundansi dering. Dalam hal ini, perlu diingat bahwa dalam topologi ring, switch harus menggunakan salah satu protokol redundansi (RSTP, MRP atau Extended Ring Redundancy) tergantung pada ukuran dan waktu konvergensi jaringan yang diperlukan ketika saluran komunikasi terputus.
Integrasi sistem berbasis HSE dengan sistem pihak ketiga dimungkinkan menggunakan teknologi OPC.
Metode tahan ledakan
Untuk membuat sistem tahan ledakan, tidak cukup hanya dipandu oleh karakteristik peralatan tahan ledakan dan pilihan lokasi yang tepat di lokasi. Di dalam sistem, setiap perangkat tidak berfungsi sendiri-sendiri, namun beroperasi dalam satu jaringan. Dalam jaringan Foundation Fieldbus H1, pertukaran informasi antar perangkat yang terletak di area berbahaya berbeda tidak hanya melibatkan transfer data, tetapi juga transfer energi listrik. Jumlah energi yang dapat diterima di satu zona mungkin tidak dapat diterima di zona lain. Oleh karena itu, pendekatan sistematis digunakan untuk menilai keamanan ledakan jaringan lapangan dan memilih metode optimal untuk memastikannya. Di antara metode-metode tersebut, yang paling banyak digunakan adalah metode untuk memastikan keamanan intrinsik.
Terkait dengan bus lapangan, saat ini terdapat beberapa cara untuk mencapai keselamatan intrinsik: metode penghalang IS tradisional, konsep FISCO, dan Teknologi Batang Bertenaga Tinggi (HPT).
Yang pertama didasarkan pada penggunaan penghalang IS dan menerapkan konsep yang telah terbukti digunakan dalam sistem kontrol berdasarkan sinyal analog 4-20 mA. Metode ini sederhana dan dapat diandalkan, namun membatasi pasokan daya ke perangkat lapangan di Zona berbahaya 0 dan 1 hingga 80 mA. Dalam hal ini, menurut perkiraan optimis, dimungkinkan untuk menghubungkan tidak lebih dari 4 perangkat lapangan per segmen dengan konsumsi 20 mA, tetapi dalam praktiknya tidak lebih dari 2. Dalam hal ini, sistem kehilangan semua keunggulan yang ada. di Foundation Fieldbus dan sebenarnya mengarah ke topologi point-to-point, ketika untuk menghubungkan perangkat lapangan dalam jumlah besar, sistem harus dibagi menjadi banyak segmen. Cara ini juga secara signifikan membatasi panjang kabel dan cabang utama.
Konsep FISCO dikembangkan oleh βInstitut Metrologi Nasional Jermanβ dan kemudian dimasukkan dalam standar IEC, dan kemudian di Gost. Untuk menjamin keamanan intrinsik jaringan lapangan, konsep ini melibatkan penggunaan komponen yang memenuhi batasan tertentu. Pembatasan serupa dirumuskan untuk catu daya dalam hal daya keluaran, untuk perangkat lapangan dalam hal konsumsi daya dan induktansi, untuk kabel dalam hal resistansi, kapasitansi, dan induktansi. Pembatasan tersebut disebabkan oleh fakta bahwa elemen kapasitif dan induktif dapat mengakumulasi energi, yang dalam mode darurat, jika terjadi kerusakan pada elemen sistem mana pun, dapat dilepaskan dan menyebabkan pelepasan percikan api. Selain itu, konsep tersebut melarang penggunaan redundansi pada sistem tenaga bus.
FISCO memberikan arus yang lebih besar untuk memberi daya pada perangkat di area berbahaya dibandingkan dengan metode penghalang lapangan. Tersedia 115 mA di sini, yang dapat digunakan untuk memberi daya pada 4-5 perangkat di segmen tersebut. Namun, ada juga batasan panjang kabel utama dan cabangnya.
Teknologi High Power Trunk saat ini merupakan teknologi keselamatan intrinsik yang paling umum di jaringan Foundation Fieldbus karena tidak memiliki kelemahan yang ada pada jaringan yang dilindungi penghalang atau FISCO. Dengan penggunaan HPT, dimungkinkan untuk mencapai batas perangkat lapangan dalam suatu segmen jaringan.
Teknologi ini tidak membatasi parameter kelistrikan jaringan jika hal ini tidak diperlukan, misalnya pada jalur komunikasi tulang punggung, yang tidak memerlukan pemeliharaan dan penggantian peralatan. Untuk menghubungkan perangkat lapangan yang terletak di zona ledakan, perangkat antarmuka dengan fungsi penghalang lapangan digunakan, yang membatasi parameter listrik jaringan untuk memberi daya pada sensor dan terletak tepat di sebelah objek kontrol. Dalam hal ini, jenis proteksi ledakan Ex e (peningkatan proteksi) digunakan di seluruh segmen.
Sumber: www.habr.com