Foundation Fieldbus er stafrænt samskiptakerfi sem notað er í sjálfvirkni ásamt Profibus, Modbus eða HART. Tæknin birtist nokkru seinna en keppinautar hennar: fyrsta útgáfa staðalsins er frá 1996 og inniheldur nú tvær samskiptareglur fyrir upplýsingaskipti milli netþátttakenda - H1 og HSE (High Speed Ethernet).
H1 samskiptareglur eru notaðar fyrir upplýsingaskipti á skynjara- og stjórnandastigi og netkerfi hennar er byggt á IEC 61158-2 líkamlegu lagi staðlinum, sem gerir gagnaflutningshraða 31,25 kbit/s. Í þessu tilviki er hægt að veita sviðstækjum afl frá gagnasafninu. HSE netið er byggt á háhraða Ethernet netkerfum (100/1000 Mbit/s) og er notað til að byggja upp sjálfvirkt vinnslustýringarkerfi á vettvangi stjórnenda og fyrirtækjastjórnunarkerfa.
Tæknin á við í smíði sjálfvirkra ferlistýringarkerfa fyrir hvaða iðnaðaraðstöðu sem er, en hún er mest útbreidd hjá fyrirtækjum í olíu- og gasiðnaði og efnaiðnaði.
Tæknigeta
Foundation Fieldbus var þróaður sem valkostur við hefðbundið líkan af sjálfvirkum stýrikerfum sem byggjast á hliðstæðum skynjurum og hefur ýmsa kosti fram yfir bæði hefðbundna gerð og stafræn kerfi byggð á Profibus eða HART.
Einn helsti kosturinn er mikill áreiðanleiki og bilanaþol kerfa H1, sem er náð vegna tveggja þátta:
- notkun greindra tækja (skynjara og stýrisbúnaðar) á vettvangi;
- getu til að skipuleggja upplýsingaskipti beint á milli tækja á vettvangi án þátttöku stjórnanda.
Greind vettvangstækja felst í getu til að innleiða eftirlits- og upplýsingavinnslu reiknirit sem hefð er fyrir innleitt í stjórnanda. Í reynd gerir þetta kerfinu kleift að halda áfram að starfa jafnvel þótt stjórnandi bili. Þetta krefst þess að vettvangstækin séu stillt á viðeigandi hátt og að áreiðanlegur fieldbus aflgjafi sé til staðar.
Viðbótar ávinningur af stafrænni vöktun stjórnkerfisins og notkun snjallskynjara felur í sér möguleikann á að fá meiri gögn umfram mælingar frá hverju vettvangstæki, sem á endanum stækkar umfang vinnslueftirlits sem í hefðbundnum hliðstæðum kerfum er takmarkað við inntaks-/úttakskerfi merkja. . . .
Notkun strætóuppbyggingar í H1 netinu gerir þér kleift að draga úr lengd kapallína, magn uppsetningarvinnu og útrýma notkun viðbótarbúnaðar í stýrikerfum: inntaks-/úttakseiningum, aflgjafa og á hættulegum svæðum - neisti verndarhindranir.
H1 leyfir notkun 4-20 mA skynjara samskiptakapla, sem hægt er að nota við uppfærslu á eldri stýrikerfum. Þökk sé notkun á innri öryggisreglum er tæknin notuð á virkan hátt í sprengifimu umhverfi. Stöðlunin sjálf tryggir skiptanleika og eindrægni búnaðar frá mismunandi framleiðendum og þökk sé gáttartækjum er hægt að tengja net vettvangstækja og iðnaðarstýringarkerfisnet fyrirtækja byggð á Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 er mest svipað og Profibus PA kerfi. Báðar tæknirnar eru byggðar á sama líkamlega lagsstaðlinum, þannig að þessi kerfi hafa sama gagnaflutningshraða, notkun Manchester-kóðun, rafmagnsbreytur samskiptalínunnar, magn mögulegs sendingarafls og hámarks leyfileg snúrulengd í neti hluti (1900 m). Einnig er hægt að nota allt að 4 endurvarpa í báðum kerfum, þar af leiðandi getur hluti lengdin nú þegar orðið 9,5 km. Möguleg netvæðing í stjórnkerfinu, sem og meginreglur til að tryggja innra öryggi, eru algengar.
Kerfishlutar
Helstu þættir Foundation Fieldbus H1 netsins eru:
- stjórnandi dreifstýringarkerfis (DCS);
- fieldbus aflgjafar;
- blokk eða mát tengi tæki;
- strætóstöðvum;
- greindur vettvangstæki.
Kerfið getur einnig innihaldið gáttartæki (tengingartæki), samskiptareglubreyta, SPD og endurvarpa.
Staðfræði netkerfis
Mikilvægt hugtak í H1 netinu er hugtakið hluti. Það er aðalsamskiptalína (Trunk), með greinum sem liggja frá henni (Spur), sem vettvangstæki eru tengd við. Stofnkapallinn byrjar við strætóaflgjafann og endar venjulega við síðasta tengibúnaðinn. Fjórar gerðir af staðfræði eru leyfðar fyrir samskipti milli stjórnandans og vettvangstækja: punkt-til-punkt, lykkja, rútu og tré. Hægt er að byggja hvern hluta annaðhvort með því að nota sérstaka staðfræði eða með samsetningum þeirra.
Með staðfræði frá punkti til punkts er hvert sviðstæki tengt beint við stjórnandann. Í þessu tilviki myndar hvert tengt svæðistæki sinn eigin nethluta. Þessi staðfræði er óþægileg vegna þess að hún sviptir kerfið nánast öllum kostum sem felast í Foundation Fieldbus. Það eru of mörg viðmót á stjórnandanum og til að knýja sviðstæki frá gagnastrætinu verður hver samskiptalína að hafa sína eigin sviðsrútu. Lengd samskiptalínanna reynist of löng og upplýsingaskipti milli tækja fara aðeins fram í gegnum stjórnandann, sem leyfir ekki að nota meginregluna um mikla bilunarþol H1 kerfa.
Topology lykkjan felur í sér raðtengingu sviðstækja við hvert annað. Hér eru öll vettvangstæki sameinuð í einn hluta, sem gerir kleift að nota færri auðlindir. Hins vegar hefur þessi svæðisfræði einnig ókosti - fyrst og fremst er nauðsynlegt að útvega aðferðir þar sem bilun á einum af milliskynjara mun ekki leiða til taps á samskiptum við hina. Annar galli skýrist af skorti á vörn gegn skammhlaupi í samskiptalínunni, þar sem upplýsingaskipti í hlutanum verða ómöguleg.
Tvö önnur netkerfi hafa mestan áreiðanleika og hagkvæmni - strætó- og trjáfræði, sem hafa fundið mesta dreifingu í reynd við byggingu H1 net. Hugmyndin að baki þessum staðfræði er að nota viðmótstæki til að tengja vettvangstæki við burðarásina. Tengitæki gera kleift að tengja hvert vettvangstæki við sitt eigið viðmót.
Netstillingar
Mikilvægar spurningar þegar þú byggir upp H1 net eru líkamlegar breytur þess - hversu mörg svæðistæki er hægt að nota í hluta, hver er hámarkslengd hluta, hversu löng geta greinarnar verið. Svarið við þessum spurningum fer eftir tegund aflgjafa og orkunotkun tækjabúnaðar á sviði og fyrir hættusvæði, aðferðum til að tryggja innra öryggi.
Einungis er hægt að ná hámarksfjölda tækjabúnaðar á sviði (32) ef þau eru knúin frá staðbundnum aðilum á staðnum og ef innra öryggi er ekki til staðar. Þegar kveikt er á skynjurum og stýribúnaði frá gagnastrætinu má hámarksfjöldi tækja aðeins vera 12 eða færri, allt eftir innri öryggisaðferðum.
Það er háð fjölda tækjabúnaðar af aflgjafaaðferðinni og aðferðum til að tryggja innra öryggi.
Lengd nethlutans ræðst af gerð kapalsins sem notuð er. Hámarkslengd 1900 m næst þegar snúru af gerð A er notuð (snúið par með skjöld). Þegar snúrugerð D er notuð (ekki snúinn fjölkjarna snúru með sameiginlegri hlíf) - aðeins 200 m. Lengd hluta er skilin sem summa lengdar aðalkapalsins og allar greinar frá honum.
Það er háð lengd hluta af gerð kapalsins.
Lengd útibúanna fer eftir fjölda tækja í nethlutanum. Þannig að með fjölda tækja allt að 12 er þetta að hámarki 120 m. Þegar notuð eru 32 tæki í hluta verður hámarkslengd útibúanna aðeins 1 m. Þegar vettvangstæki eru tengd með lykkju er hvert viðbótartæki minnkar lengd greinarinnar um 30 m.
Það fer eftir lengd útibúa frá aðalstrengnum af fjölda sviðstækja í hlutanum.
Allir þessir þættir hafa bein áhrif á uppbyggingu og staðfræði kerfisins. Til að flýta fyrir nethönnunarferlinu eru sérstakir hugbúnaðarpakkar notaðir eins og DesignMate frá FieldComm Group eða Fieldbus Network Planner frá Phoenix Contact. Forritin gera þér kleift að reikna út líkamlegar og rafmagnsbreytur H1 netsins, að teknu tilliti til allra mögulegra takmarkana.
Tilgangur kerfishluta
Stjórnandi
Verkefni stjórnandans er að innleiða aðgerðir Link Active Scheduler (LAS), aðaltækisins sem stjórnar netinu með því að senda þjónustuskilaboð. LAS hefur frumkvæði að upplýsingaskiptum á milli netþátttakenda með skipulögðum (áætluðum) eða ótímasettum skilaboðum, greinir og samstillir öll tæki.
Að auki er stjórnandi ábyrgur fyrir sjálfvirkri vistun á vettvangstækjum og virkar sem gáttartæki, sem veitir Ethernet tengi fyrir samskipti við efri stig stjórnkerfisins sem byggir á Foundation Fieldbus HSE eða öðrum samskiptareglum. Á efsta stigi kerfisins býður stjórnandinn upp á eftirlits- og stjórnunaraðgerðir fyrir stjórnanda, auk aðgerða fyrir fjarstillingar á vettvangstækjum.
Það kunna að vera nokkrir Active Link tímaáætlunaraðilar á netinu, sem tryggja offramboð aðgerðanna sem eru innbyggðar í þá. Í nútíma kerfum er hægt að útfæra LAS aðgerðir í gáttartæki sem virkar sem samskiptareglubreytir fyrir stýrikerfi byggð á öðrum staðli en Foundation Fieldbus HSE.
Fieldbus aflgjafar
Aflgjafakerfið í H1 netinu gegnir lykilhlutverki, því til að gagnaskipti séu möguleg þarf að halda spennunni í gagnasnúrunni á bilinu 9 til 32 V DC. Hvort sem vettvangstæki eru knúin af gagnastrætinu eða af vettvangsaflgjafa, þá þarf netið strætóaflgjafa.
Þess vegna er megintilgangur þeirra að viðhalda nauðsynlegum rafmagnsbreytum í strætó, auk þess að knýja tækin sem eru tengd við netið. Strætóaflgjafar eru frábrugðnir hefðbundnum aflgjafa að því leyti að þeir hafa samsvarandi útgangsrásarviðnám við gagnaflutningstíðni. Ef þú notar beint 1 eða 12 V aflgjafa til að knýja H24 netið mun merkið glatast og upplýsingaskipti á rútunni verða ekki möguleg.
Óþarfi fieldbus aflgjafar FB-PS (samsetning fyrir 4 hluta).
Í ljósi mikilvægis þess að veita áreiðanlega strætóafl geta aflgjafar fyrir hvern nethluta verið óþarfi. Phoenix Contact FB-PS aflgjafar styðja sjálfvirka straumjöfnunartækni. ASV veitir samhverft álag á milli aflgjafa, sem hefur jákvæð áhrif á hitastig þeirra og leiðir að lokum til lengri endingartíma þeirra.
H1 aflgjafakerfið er venjulega staðsett í stjórnunarskápnum.
Tengitæki
Tengitæki eru hönnuð til að tengja hóp tækjabúnaðar við aðalgagnarútuna. Byggt á aðgerðunum sem þeir sinna er þeim skipt í tvær gerðir: hlutaverndareiningar (Segment Protectors) og akurhindranir (Field Barriers).
Burtséð frá gerðinni vernda viðmótstæki netið fyrir skammhlaupum og ofstraumi í útleiðarlínum. Þegar skammhlaup á sér stað lokar viðmótstækið fyrir tengigáttina og kemur í veg fyrir að skammhlaupið dreifist um kerfið og tryggir þannig upplýsingaskipti milli annarra nettækja. Eftir að skammhlaupið á línunni hefur verið útrýmt byrjar áður lokaða samskiptatengin að virka aftur.
Vallarhindranir veita auk þess galvaníska einangrun á milli óeiginlega öruggra rása aðalrútunnar og sjálftryggra rása tengdra vettvangstækja (útibúa).
Líkamlega eru tengitæki einnig tvenns konar - blokk og mát. Blokkviðmótstæki af gerðinni FB-12SP með hlutaverndarvirkni gera þér kleift að nota sjálftryggar IC hringrásir til að tengja vettvangstæki á svæði 2 og FB-12SP ISO sviðshindranir gera þér kleift að tengja tæki á svæði 1 og 0 með því að nota sjálftrygga IA hringrásir.
FB-12SP og FB-6SP tengi frá Phoenix Contact.
Einn af kostum einingatækja er hæfileikinn til að stækka kerfið með því að velja fjölda rása sem þarf til að tengja vettvangstæki. Að auki leyfa máttæki sköpun sveigjanlegra mannvirkja. Í einum dreifiskáp er hægt að sameina hlutaverndareiningar og vettvangshindranir, það er að tengja vettvangstæki staðsett á mismunandi sprengihættusvæðum frá einum skáp. Alls er hægt að setja allt að 12 tveggja rása FB-2SP einingar eða einnar rásar FB-ISO hindrunareiningar á einum strætó og tengja þannig frá einum skáp til 24 vettvangstæki á svæði 2 eða allt að 12 skynjara á svæði 1 eða 0.
Tengitæki geta verið starfrækt á breitt hitastigssvið og eru sett upp í sprengifimum girðingum Ex e, Ex d með ryk- og rakavörn sem er að minnsta kosti IP54, þar með talið eins nálægt stjórnhlutnum og hægt er.
Yfirspennuvarnartæki
H1 vettvangsnet geta myndað mjög langa hluta og samskiptalínur geta keyrt á stöðum þar sem bylgjubylgjur eru mögulegar. Yfirspenna púls er skilin sem framkallaður mögulegur munur sem stafar af eldingum eða skammhlaupum í nálægum kapallínum. Framkölluð spenna, sem er af stærðargráðunni nokkur kílóvolt, veldur flæði losunarstrauma kílóampera. Öll þessi fyrirbæri eiga sér stað innan míkrósekúndna, en geta leitt til bilunar á H1 nethlutum. Til að vernda búnað fyrir slíkum fyrirbærum er nauðsynlegt að nota SPD. Notkun SPD í stað hefðbundinna gegnumstreymisstöðva tryggir áreiðanlega og örugga notkun kerfisins við erfiðar aðstæður.
Meginreglan um virkni þess byggist á notkun hálfskammrásar á nanósekúndubilinu fyrir flæði útskriftarstrauma í hringrás sem notar þætti sem þola flæði strauma af slíkri stærðargráðu.
Það er mikill fjöldi tegunda af SPD: einrás, tvöföld, með skiptanlegum innstungum, með ýmsum gerðum greiningar - í formi blikka, þurrs snertingar. Nýjasta greiningartæki frá Phoenix Contact gera þér kleift að fylgjast með yfirspennuvörnum með því að nota Ethernet-byggða stafræna þjónustu. Verksmiðja fyrirtækisins í Rússlandi framleiðir tæki sem eru vottuð til notkunar í sprengifimu umhverfi, þar á meðal Foundation Fieldbus kerfi.
Strætóstöð
Ljúkabúnaðurinn sinnir tveimur aðgerðum í netinu - hann shuntar sviðsrútustraumnum, sem myndast vegna merkjamótunar og kemur í veg fyrir að merkið endurkastist frá endum aðallínunnar og kemur þannig í veg fyrir að hávaði og jitter birtist (fasa jitter) af stafræna merkinu). Þannig gerir terminator þér kleift að forðast útlit ónákvæmra gagna á netinu eða tap á gögnum með öllu.
Hver hluti H1 netsins verður að hafa tvo terminators á hvorum enda hlutans. Phoenix Contact strætóaflgjafar og tengi eru með skiptanlegum endalokum. Tilvist auka terminators á netinu, til dæmis vegna villu, mun draga verulega úr merkjastigi í tengilínunni.
Upplýsingaskipti milli hluta
Upplýsingaskipti milli vettvangstækja eru ekki takmörkuð við einn hluta, heldur er mögulegt milli mismunandi hluta netsins, sem hægt er að tengja í gegnum stjórnandi eða Ethernet-undirstaða plöntunet. Í þessu tilviki er hægt að nota Foundation Fieldbus HSE siðareglur eða vinsælli, til dæmis Modbus TCP.
Þegar HSE net er byggt upp eru rofar í iðnaðarflokki notaðir. Samskiptareglur leyfa offramboð í hringi. Í þessu tilviki er rétt að muna að í hringlaga svæðisfræði verða rofar að nota eina af offramboðssamskiptareglum (RSTP, MRP eða Extended Ring Redundancy) eftir stærð og nauðsynlegum samrunatíma netsins þegar samskiptarásir eru bilaðar.
Samþætting kerfa sem byggir á HSE við kerfi þriðja aðila er möguleg með OPC tækni.
Sprengjuþolnar aðferðir
Til að búa til sprengivarið kerfi er ekki nóg að hafa aðeins að leiðarljósi sprengiheldu eiginleika búnaðarins og vali á réttri staðsetningu hans á staðnum. Innan kerfisins virkar hvert tæki ekki eitt og sér heldur starfar það innan eins nets. Í Foundation Fieldbus H1 netkerfum felur upplýsingaskipti milli tækja sem staðsett eru á mismunandi hættusvæðum ekki aðeins í sér gagnaflutning heldur einnig flutning á raforku. Orkumagnið sem var ásættanlegt á einu svæði gæti verið óviðunandi á öðru svæði. Þess vegna er kerfisbundin nálgun notuð til að meta sprengiöryggi vettvangsneta og velja bestu aðferðina til að tryggja það. Meðal þessara aðferða eru þær aðferðir sem mest eru notaðar til að tryggja innra öryggi.
Þegar kemur að vettvangsrútum eru nokkrar leiðir til að ná innra öryggi eins og er: hefðbundin IS hindrunaraðferð, FISCO hugmyndin og High Power Trunk Technology (HPT).
Sú fyrri byggir á notkun IS-hindrana og útfærir sannað hugtak sem hefur verið notað í stýrikerfum sem byggjast á 4-20 mA hliðstæðum merkjum. Þessi aðferð er einföld og áreiðanleg, en takmarkar aflgjafann við tæki á vettvangi á hættusvæðum 0 og 1 til 80 mA. Í þessu tilviki, samkvæmt bjartsýnni spá, er ekki hægt að tengja meira en 4 vettvangstæki á hvern hluta með 20 mA eyðslu, en í reynd ekki meira en 2. Í þessu tilviki missir kerfið alla kosti sem eru til staðar í Foundation Fieldbus og leiðir í raun til staðfræði frá punkti til punkts, þegar á að tengja mikinn fjölda sviðstækja þarf að skipta kerfinu í marga hluta. Þessi aðferð takmarkar einnig verulega lengd aðalstrengs og útibúa.
FISCO hugmyndin var þróuð af „National Metrological Institute of Germany“ og var síðar innifalin í IEC stöðlunum og síðan í GOST. Til að tryggja innra öryggi vettvangsnetsins felur hugtakið í sér notkun á íhlutum sem uppfylla ákveðnar takmarkanir. Svipaðar takmarkanir eru settar fram fyrir aflgjafa hvað varðar útgangsafl, fyrir vettvangstæki hvað varðar orkunotkun og inductance, fyrir snúrur hvað varðar viðnám, rýmd og inductance. Slíkar takmarkanir stafa af því að rafrýmd og inductive þættir geta safnað orku sem í neyðarstillingu, ef skemmist á einhverjum þáttum kerfisins, getur losnað og valdið neistaflæði. Að auki bannar hugmyndin notkun offramboðs í raforkukerfi strætó.
FISCO veitir meiri straum til að knýja tæki á hættulegum svæðum samanborið við hindrunaraðferðina. 115 mA er fáanlegt hér, sem hægt er að nota til að knýja 4-5 tæki í hlutanum. Hins vegar eru einnig takmarkanir á lengd aðalstrengs og greinar.
High Power Trunk tækni er eins og er algengasta innri öryggistæknin í Foundation Fieldbus netum vegna þess að hún hefur ekki þá ókosti sem eru í hindrunarvörðum eða FISCO netum. Með notkun HPT er hægt að ná takmörkunum á sviði tækja í nethluta.
Tæknin takmarkar ekki rafmagnsfæribreytur netsins þar sem slíkt er ekki nauðsynlegt, td á grunnsamskiptalínu, þar sem engin þörf er á viðhaldi og skipta um búnað. Til að tengja vettvangstæki sem staðsett eru á sprengisvæði eru notuð tengitæki með virkni sviðshindrana, sem takmarka rafmagnsbreytur netsins til að knýja skynjarana og eru staðsettir beint við hlið stjórnunarhlutarins. Í þessu tilviki er gerð sprengivarna Ex e (aukin vörn) notuð um allan hlutann.
Heimild: www.habr.com