Foundation Fieldbus è un sistema di comunicazione digitale utilizzato nell'automazione insieme a Profibus, Modbus o HART. La tecnologia è apparsa un po' più tardi rispetto ai suoi concorrenti: la prima edizione dello standard risale al 1996 e attualmente comprende due protocolli per lo scambio di informazioni tra i partecipanti alla rete: H1 e HSE (High Speed Ethernet).
Il protocollo H1 viene utilizzato per lo scambio di informazioni a livello di sensore e controller e la sua rete si basa sullo standard di livello fisico IEC 61158-2, consentendo una velocità di trasferimento dati di 31,25 kbit/s. In questo caso è possibile alimentare i dispositivi di campo dal bus dati. La rete HSE si basa su reti Ethernet ad alta velocità (100/1000 Mbit/s) e viene utilizzata per costruire una rete di sistemi di controllo automatizzato dei processi a livello di controllori e sistemi di gestione aziendale.
La tecnologia è applicabile nella costruzione di sistemi automatizzati di controllo dei processi per qualsiasi impianto industriale, ma è più diffusa nelle imprese dell'industria petrolifera e del gas e nell'industria chimica.
Capacità tecnologiche
Foundation Fieldbus è stato sviluppato come alternativa al modello tradizionale di sistemi di controllo automatizzati basati su sensori analogici e presenta numerosi vantaggi sia rispetto al modello tradizionale che ai sistemi digitali basati su Profibus o HART.
Uno dei principali vantaggi è l'elevato grado di affidabilità e tolleranza ai guasti dei sistemi H1, che si ottiene a causa di due fattori:
- utilizzo di dispositivi intelligenti (sensori e attuatori) a livello di campo;
- la capacità di organizzare lo scambio di informazioni direttamente tra dispositivi a livello di campo senza la partecipazione di un controller.
L'intelligenza dei dispositivi di campo risiede nella capacità di implementare algoritmi di controllo ed elaborazione delle informazioni tradizionalmente implementati nel controllore. In pratica, ciò consente al sistema di continuare a funzionare anche in caso di guasto del controller. Ciò richiede che i dispositivi di campo siano configurati adeguatamente e che sia fornita un'alimentazione affidabile del bus di campo.
Ulteriori vantaggi derivanti dalla digitalizzazione del sistema di controllo e dall'uso di sensori intelligenti includono la capacità di ottenere più dati oltre la misurazione da ciascun dispositivo di campo, ampliando in definitiva l'ambito del monitoraggio del processo che nei sistemi analogici tradizionali è limitato al sistema di ingresso/uscita del segnale . .
L'uso della topologia bus nella rete H1 consente di ridurre la lunghezza dei cavi, la quantità di lavoro di installazione ed eliminare l'uso di apparecchiature aggiuntive nei sistemi di controllo: moduli di ingresso/uscita, alimentatori e in aree pericolose - scintilla barriere di protezione.
L'H1 consente l'uso di cavi di comunicazione del sensore da 4-20 mA, che possono essere utilizzati durante l'aggiornamento dei sistemi di controllo più vecchi. Grazie all'utilizzo di principi di sicurezza intrinseca, la tecnologia viene utilizzata attivamente in ambienti esplosivi. La standardizzazione stessa garantisce l'intercambiabilità e la compatibilità di apparecchiature di diversi produttori e grazie ai dispositivi gateway è possibile interfacciare una rete di dispositivi di campo e una rete di sistemi di controllo industriale di imprese costruita su Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 è molto simile ai sistemi Profibus PA. Entrambe le tecnologie si basano sullo stesso standard di livello fisico, quindi questi sistemi hanno le stesse velocità di trasferimento dati, l'uso della codifica Manchester, i parametri elettrici della linea di comunicazione, la quantità di potenza trasmessa possibile e la lunghezza massima consentita del cavo in una rete segmento (1900 m). Inoltre in entrambi i sistemi è possibile utilizzare fino a 4 ripetitori, grazie ai quali la lunghezza del segmento può già raggiungere i 9,5 km. Sono comuni le possibili topologie di rete nel sistema di controllo, nonché i principi per garantire la sicurezza intrinseca.
Componenti del sistema
Gli elementi principali della rete Foundation Fieldbus H1 sono:
- controller del sistema di controllo decentralizzato (DCS);
- alimentatori per bus di campo;
- dispositivi di interfaccia a blocchi o modulari;
- terminatori di autobus;
- dispositivi da campo intelligenti.
Il sistema può contenere anche dispositivi gateway (Linking Device), convertitori di protocollo, SPD e ripetitori.
Topologia di rete
Un concetto importante nella rete H1 è il concetto di segmento. Si tratta di una linea di comunicazione principale (tronco), da cui si estendono diramazioni (diramazione), alla quale sono collegati i dispositivi di campo. Il cavo principale inizia dalla fonte di alimentazione del bus e termina solitamente con l'ultimo dispositivo di interfaccia. Sono consentiti quattro tipi di topologia per la comunicazione tra il controller e i dispositivi di campo: punto a punto, loop, bus e albero. Ogni segmento può essere costruito utilizzando una topologia separata o utilizzando le loro combinazioni.
Con una topologia punto a punto, ogni dispositivo di campo è collegato direttamente al controllore. In questo caso ogni apparecchiatura da campo collegata costituisce un proprio segmento di rete. Questa topologia è scomoda perché priva il sistema di quasi tutti i vantaggi inerenti al Foundation Fieldbus. Sono presenti troppe interfacce sul controller e per alimentare i dispositivi di campo dal bus dati, ciascuna linea di comunicazione deve disporre del proprio alimentatore del bus di campo. La lunghezza delle linee di comunicazione risulta essere troppo lunga e lo scambio di informazioni tra i dispositivi avviene solo tramite il controller, il che non consente di utilizzare il principio di elevata tolleranza ai guasti dei sistemi H1.
La topologia ad anello implica una connessione seriale tra dispositivi di campo. Qui tutti i dispositivi da campo sono riuniti in un unico segmento, il che consente l'utilizzo di meno risorse. Tuttavia, questa topologia presenta anche degli svantaggi: innanzitutto è necessario fornire metodi in cui il guasto di uno dei sensori intermedi non porti alla perdita di comunicazione con gli altri. Un altro inconveniente è dovuto alla mancanza di protezione contro i cortocircuiti nella linea di comunicazione, in cui lo scambio di informazioni nel segmento sarà impossibile.
Altre due topologie di rete hanno la massima affidabilità e praticità: la topologia a bus e ad albero, che ha trovato la massima distribuzione nella pratica durante la costruzione di reti H1. L'idea alla base di queste topologie è quella di utilizzare dispositivi di interfaccia per connettere i dispositivi di campo alla dorsale. I dispositivi di accoppiamento consentono di collegare ciascun dispositivo di campo alla propria interfaccia.
Impostazioni di rete
Domande importanti quando si costruisce una rete H1 riguardano i suoi parametri fisici: quanti dispositivi di campo possono essere utilizzati in un segmento, qual è la lunghezza massima di un segmento, quanto possono essere lunghi i rami. La risposta a queste domande dipende dal tipo di alimentazione e dal consumo energetico dei dispositivi di campo e, per le aree pericolose, dai metodi per garantire la sicurezza intrinseca.
Il numero massimo di dispositivi di campo in un segmento (32) può essere raggiunto solo se sono alimentati da fonti locali in loco e se la sicurezza intrinseca non è disponibile. Quando si alimentano sensori e attuatori dal bus dati, il numero massimo di dispositivi può essere solo 12 o meno a seconda dei metodi di sicurezza intrinseca.
Dipendenza del numero di dispositivi di campo dal metodo di alimentazione e metodi per garantire la sicurezza intrinseca.
La lunghezza del segmento di rete è determinata dal tipo di cavo utilizzato. La lunghezza massima di 1900 m si ottiene utilizzando un cavo di tipo A (doppino intrecciato con schermo). Quando si utilizza un cavo di tipo D (cavo multipolare non intrecciato con schermatura comune) - solo 200 m La lunghezza di un segmento è intesa come la somma delle lunghezze del cavo principale e di tutte le diramazioni da esso.
Dipendenza della lunghezza del segmento dal tipo di cavo.
La lunghezza dei rami dipende dal numero di dispositivi nel segmento di rete. Quindi, con un numero di dispositivi fino a 12, la lunghezza massima è di 120 m. Quando si utilizzano 32 dispositivi in un segmento, la lunghezza massima dei rami sarà solo 1 m. Quando si collegano dispositivi di campo con un loop, ogni dispositivo aggiuntivo riduce la lunghezza del ramo di 30 m.
Dipendenza della lunghezza delle diramazioni del cavo principale dal numero di dispositivi di campo nel segmento.
Tutti questi fattori influenzano direttamente la struttura e la topologia del sistema. Per accelerare il processo di progettazione della rete vengono utilizzati pacchetti software speciali come DesignMate del gruppo FieldComm o Fieldbus Network Planner di Phoenix Contact. I programmi consentono di calcolare i parametri fisici ed elettrici della rete H1, tenendo conto di tutte le possibili restrizioni.
Scopo dei componenti del sistema
Controller
Il compito del controllore è quello di implementare le funzioni del Link Active Scheduler (LAS), il principale dispositivo che gestisce la rete inviando messaggi di servizio. LAS avvia lo scambio di informazioni tra i partecipanti alla rete con messaggi pianificati (programmati) o non pianificati, diagnostica e sincronizza tutti i dispositivi.
Inoltre, il controller è responsabile dell'indirizzamento automatico dei dispositivi di campo e funge da dispositivo gateway, fornendo un'interfaccia Ethernet per la comunicazione con il livello superiore del sistema di controllo basato su Foundation Fieldbus HSE o altro protocollo di comunicazione. Al livello più alto del sistema, il controller fornisce funzioni di monitoraggio e controllo dell'operatore, nonché funzioni per la configurazione remota dei dispositivi di campo.
Nella rete possono essere presenti più Active Link Scheduler, garantendo la ridondanza delle funzioni in essi integrate. Nei sistemi moderni, le funzioni LAS possono essere implementate in un dispositivo gateway che funge da convertitore di protocollo per sistemi di controllo costruiti su uno standard diverso dal Foundation Fieldbus HSE.
Alimentatori bus di campo
Il sistema di alimentazione nella rete H1 gioca un ruolo chiave, poiché affinché lo scambio di dati sia possibile, la tensione nel cavo dati deve essere mantenuta nell'intervallo compreso tra 9 e 32 V DC. Sia che i dispositivi da campo siano alimentati dal bus dati o da alimentatori da campo, la rete richiede alimentatori bus.
Pertanto, il loro scopo principale è mantenere i parametri elettrici richiesti sul bus, nonché alimentare i dispositivi collegati alla rete. Gli alimentatori bus differiscono dagli alimentatori convenzionali in quanto alle frequenze di trasmissione dati hanno un'impedenza del circuito di uscita corrispondente. Se si utilizzano direttamente alimentatori a 1 o 12 V per alimentare la rete H24, il segnale verrà perso e lo scambio di informazioni sul bus non sarà possibile.
Alimentatori ridondanti bus di campo FB-PS (gruppo per 4 segmenti).
Data l'importanza di fornire un'alimentazione bus affidabile, gli alimentatori per ciascun segmento di rete possono essere ridondanti. Gli alimentatori FB-PS Phoenix Contact supportano la tecnologia di bilanciamento automatico della corrente. L'ASV fornisce un carico simmetrico tra le fonti di alimentazione, che ha un effetto benefico sulle loro condizioni di temperatura e, in definitiva, porta ad un aumento della loro durata.
Il sistema di alimentazione H1 si trova generalmente nell'armadietto del controller.
Dispositivi di interfaccia
I dispositivi di accoppiamento sono progettati per collegare un gruppo di dispositivi di campo al bus dati principale. In base alle funzioni che svolgono si dividono in due tipologie: moduli di protezione dei segmenti (Segment Protectors) e barriere di campo (Field Barriers).
Indipendentemente dalla tipologia, i dispositivi di interfaccia proteggono la rete da cortocircuiti e sovracorrenti nelle linee in uscita. Quando si verifica un cortocircuito, il dispositivo di interfaccia blocca la porta di interfaccia, evitando che il cortocircuito si diffonda nel sistema e garantendo così lo scambio di informazioni tra gli altri dispositivi di rete. Dopo aver eliminato il cortocircuito sulla linea, la porta di comunicazione precedentemente bloccata riprende a funzionare.
Le barriere di campo forniscono inoltre l'isolamento galvanico tra i circuiti non a sicurezza intrinseca del bus principale e i circuiti a sicurezza intrinseca dei dispositivi di campo collegati (rami).
Fisicamente, anche i dispositivi di interfaccia sono di due tipi: a blocchi e modulari. I dispositivi di interfaccia a blocchi del tipo FB-12SP con funzionalità di protezione del segmento consentono di utilizzare circuiti IC a sicurezza intrinseca per collegare dispositivi di campo nella Zona 2, mentre le barriere di campo ISO FB-12SP consentono di collegare dispositivi nelle Zone 1 e 0 utilizzando IA a sicurezza intrinseca circuiti.
Accoppiatori FB-12SP e FB-6SP di Phoenix Contact.
Uno dei vantaggi dei dispositivi modulari è la possibilità di scalare il sistema selezionando il numero di canali richiesti per collegare i dispositivi di campo. Inoltre, i dispositivi modulari consentono la creazione di strutture flessibili. In un armadio di distribuzione è possibile combinare moduli di protezione del segmento e barriere di campo, ovvero collegare dispositivi di campo situati in diverse zone a rischio di esplosione da un unico armadio. In totale, è possibile installare fino a 12 moduli FB-2SP a doppio canale o moduli barriera FB-ISO a canale singolo su un bus, collegando così da un armadio a 24 dispositivi di campo nella Zona 2 o fino a 12 sensori nella Zona 1 o 0.
I dispositivi di interfaccia possono essere utilizzati in un ampio intervallo di temperature e sono installati in custodie antideflagranti Ex e, Ex d con un grado di protezione da polvere e umidità almeno IP54, anche il più vicino possibile all'oggetto di controllo.
Dispositivi di protezione contro le sovratensioni
Le reti a livello di campo H1 possono formare segmenti molto lunghi e le linee di comunicazione possono correre in luoghi in cui sono possibili picchi di tensione. Per sovratensioni impulsive si intendono differenze di potenziale indotte causate da scariche di fulmini o cortocircuiti nelle linee di cavo vicine. La tensione indotta, la cui grandezza è dell'ordine di diversi kilovolt, provoca il flusso di correnti di scarica di kiloampere. Tutti questi fenomeni si verificano nell'arco di microsecondi, ma possono portare al guasto dei componenti della rete H1. Per proteggere le apparecchiature da tali fenomeni è necessario l'utilizzo di un SPD. L'uso di SPD al posto dei tradizionali terminali passanti garantisce un funzionamento affidabile e sicuro del sistema in condizioni avverse.
Il principio del suo funzionamento si basa sull'uso di un quasi-cortocircuito nell'ordine dei nanosecondi per il flusso di correnti di scarica in un circuito che utilizza elementi in grado di resistere al flusso di correnti di tale entità.
Esistono numerosi tipi di SPD: a canale singolo, a doppio canale, con connettori sostituibili, con vari tipi di diagnostica - sotto forma di lampeggiatore, contatto pulito. Gli strumenti diagnostici all'avanguardia di Phoenix Contact consentono di monitorare i dispositivi di protezione da sovratensione utilizzando servizi digitali basati su Ethernet. Lo stabilimento dell'azienda in Russia produce dispositivi certificati per l'uso in ambienti esplosivi, compresi i sistemi Foundation Fieldbus.
Terminatore dell'autobus
Il terminatore svolge due funzioni nella rete: devia la corrente del bus di campo, che si forma come risultato della modulazione del segnale e impedisce che il segnale venga riflesso dalle estremità della linea principale, prevenendo così la comparsa di rumore e jitter (jitter di fase del segnale digitale). Pertanto, il terminatore consente di evitare la comparsa di dati imprecisi sulla rete o la totale perdita di dati.
Ciascun segmento della rete H1 deve avere due terminatori a ciascuna estremità del segmento. Gli alimentatori bus e gli accoppiatori Phoenix Contact sono dotati di terminazioni commutabili. La presenza di terminatori aggiuntivi nella rete, ad esempio a causa di un errore, ridurrà significativamente il livello del segnale nella linea di interfaccia.
Scambio di informazioni tra segmenti
Lo scambio di informazioni tra dispositivi di campo non è limitato a un segmento, ma è possibile tra diverse sezioni della rete, che possono essere collegate tramite un controller o una rete d'impianto basata su Ethernet. In questo caso è possibile utilizzare il protocollo Foundation Fieldbus HSE o uno più diffuso, ad esempio Modbus TCP.
Quando si costruisce una rete HSE, vengono utilizzati switch di livello industriale. Il protocollo consente la ridondanza dell'anello. In questo caso, vale la pena ricordare che in una topologia ad anello, gli switch devono utilizzare uno dei protocolli di ridondanza (RSTP, MRP o Extended Ring Redundancy) a seconda delle dimensioni e del tempo di convergenza della rete richiesto quando i canali di comunicazione sono interrotti.
L'integrazione di sistemi basati su HSE con sistemi di terze parti è possibile utilizzando la tecnologia OPC.
Metodi a prova di esplosione
Per realizzare un sistema antideflagrante non è sufficiente farsi guidare solo dalle caratteristiche antideflagranti dell'apparecchiatura e dalla scelta della sua corretta collocazione sul sito. All'interno del sistema ogni dispositivo non funziona da solo, ma opera all'interno di un'unica rete. Nelle reti Foundation Fieldbus H1, lo scambio di informazioni tra dispositivi situati in diverse aree pericolose comporta non solo il trasferimento di dati, ma anche il trasferimento di energia elettrica. La quantità di energia accettabile in una zona potrebbe non essere accettabile in un'altra. Pertanto, per valutare la sicurezza contro le esplosioni delle reti di campo e selezionare il metodo ottimale per garantirla, viene utilizzato un approccio sistematico. Tra questi metodi, i metodi per garantire la sicurezza intrinseca sono i più utilizzati.
Quando si tratta di bus di campo, esistono attualmente diversi modi per ottenere la sicurezza intrinseca: il tradizionale metodo con barriera IS, il concetto FISCO e la High Power Trunk Technology (HPT).
Il primo si basa sull'uso di barriere IS e implementa un concetto collaudato che è stato utilizzato nei sistemi di controllo basati su segnali analogici da 4-20 mA. Questo metodo è semplice e affidabile, ma limita l'alimentazione ai dispositivi di campo nelle zone pericolose 0 e 1 a 80 mA. In questo caso, secondo una previsione ottimistica, è possibile collegare non più di 4 dispositivi di campo per segmento con un consumo di 20 mA, ma in pratica non più di 2. In questo caso il sistema perde tutti i vantaggi esistenti nel Foundation Fieldbus e porta di fatto ad una topologia punto-punto, quando per connettere un gran numero di dispositivi di campo, il sistema deve essere suddiviso in molti segmenti. Questo metodo limita inoltre notevolmente la lunghezza del cavo principale e delle diramazioni.
Il concetto FISCO è stato sviluppato dall’“Istituto metrologico nazionale tedesco” e successivamente è stato incluso negli standard IEC e poi in GOST. Per garantire la sicurezza intrinseca della rete di campo, il concetto prevede l'uso di componenti che soddisfano determinate restrizioni. Restrizioni simili sono formulate per gli alimentatori in termini di potenza di uscita, per i dispositivi di campo in termini di consumo energetico e induttanza, per i cavi in termini di resistenza, capacità e induttanza. Tali restrizioni sono dovute al fatto che gli elementi capacitivi e induttivi possono accumulare energia, che in modalità di emergenza, in caso di danneggiamento di qualsiasi elemento del sistema, può essere rilasciata e provocare una scarica di scintilla. Inoltre, il concetto vieta l'uso della ridondanza nel sistema di alimentazione del bus.
FISCO fornisce una corrente maggiore per alimentare i dispositivi in aree pericolose rispetto al metodo con barriera di campo. Qui sono disponibili 115 mA, che possono essere utilizzati per alimentare 4-5 dispositivi nel segmento. Tuttavia, esistono anche limitazioni sulla lunghezza del cavo principale e delle diramazioni.
La tecnologia High Power Trunk è attualmente la tecnologia di sicurezza intrinseca più comune nelle reti Foundation Fieldbus perché elimina gli svantaggi esistenti nelle reti protette da barriere o FISCO. Utilizzando HPT è possibile raggiungere il limite dei dispositivi di campo in un segmento di rete.
La tecnologia non limita i parametri elettrici della rete dove ciò non è necessario, ad esempio su una linea di comunicazione dorsale, dove non è necessaria la manutenzione e la sostituzione delle apparecchiature. Per collegare i dispositivi di campo situati in una zona esplosiva, vengono utilizzati dispositivi di interfaccia con la funzionalità di barriere di campo, che limitano i parametri elettrici della rete per l'alimentazione dei sensori e si trovano direttamente accanto all'oggetto di controllo. In questo caso su tutto il segmento viene utilizzato il tipo di protezione antideflagrante Ex e (protezione aumentata).
Fonte: habr.com