Foundation Fieldbus è un sistema di comunicazione digitale utilizzato nell'automazione, insieme a tecnologie come Profibus, Modbus o HART. Questa tecnologia è emersa qualche tempo dopo i suoi concorrenti: la prima edizione dello standard risale al 1996 e attualmente include due protocolli di scambio di informazioni tra i partecipanti alla rete: H1 e HSE (High Speed Ethernet).
Il protocollo H1 è utilizzato per lo scambio di informazioni a livello di sensori e controllori, e la sua rete si basa sullo standard fisico IEC 61158-2, consentendo una velocità di trasmissione dati di 31,25 kbit/s. Inoltre, l'alimentazione dei dispositivi di campo può essere organizzata tramite il bus di trasmissione dati. La rete HSE è basata su reti Ethernet ad alta velocità (100/1000 Mbit/s) ed è utilizzata per costruire reti di controllo dei processi industriali a livello di controllori e sistemi di gestione aziendale.
La tecnologia è applicabile nella costruzione di sistemi di controllo per qualsiasi tipo di impianto industriale, ma ha trovato la sua maggiore diffusione nelle aziende del settore petrolifero e chimico.
Le capacità della tecnologia
Foundation Fieldbus è stata sviluppata come alternativa al tradizionale modello di sistemi di controllo automatici basati su sensori analogici e ha ottenuto una serie di vantaggi sia rispetto al modello tradizionale che rispetto ai sistemi digitali basati su Profibus o HART.
Uno dei principali vantaggi è rappresentato dall'alta affidabilità e dal'errore di-resistenza dei sistemi. H1, raggiunto grazie a due fattori:
- l'uso di dispositivi intelligenti a livello di campo (sensori e attuatori);
- la possibilità di organizzare lo scambio di informazioni direttamente tra i dispositivi a livello di campo senza il coinvolgimento del controllore.
L'intelligenza dei dispositivi di campo consiste nella possibilità di incorporare algoritmi di controllo e di elaborazione delle informazioni, che tradizionalmente sono implementati nel controllore. Nella pratica, questo consente al sistema di continuare a funzionare anche in caso di guasto del controllore. È necessario che i dispositivi di campo siano configurati di conseguenza e che sia assicurato un sistema di alimentazione affidabile per il bus di campo.
I vantaggi aggiuntivi derivanti dalla digitalizzazione del sistema di gestione e dall'uso di sensori intelligenti consistono nella possibilità di ottenere un maggior numero di dati, oltre alla mera misurazione, da ogni dispositivo di campo, il che, alla fine, amplia l'area di monitoraggio del processo, che nei tradizionali sistemi analogici è limitata dal sistema di input-output dei segnali.
L'uso di una topologia a bus nella rete H1 consente di ridurre la lunghezza delle linee di cablaggio, il volume dei lavori di installazione e di eliminare la necessità di attrezzature addizionali nei sistemi di controllo: moduli di ingresso-uscita, alimentatori e, nelle aree pericolose, barriere di protezione contro le scintille.
H1 consente l'uso di cavi per linee di comunicazione di sensori 4-20 mA, il che può essere sfruttato per l'aggiornamento di vecchi sistemi di controllo. Grazie all'applicazione dei principi di sicurezza intrinsecamente sicura, questa tecnologia è ampiamente utilizzata in ambienti esplosivi. La standardizzazione stessa garantisce l'intercambiabilità e la compatibilità delle attrezzature di diversi produttori, e grazie agli apparecchi di gateway è possibile collegare la rete dei dispositivi di campo alle reti di automazione industriale delle aziende, costruite su Ethernet.
La più grande somiglianza dell'Foundation Fieldbus H1 è con i sistemi Profibus PA. Entrambe le tecnologie si basano sullo stesso standard del livello fisico, quindi le velocità di trasmissione dei dati, l'uso della codifica Manchester, i parametri elettrici della linea di comunicazione, la quantità massima di potenza trasmissibile e la lunghezza massima consentita del cavo nel segmento di rete (1900 m) sono identici. Inoltre, in entrambi i sistemi è possibile utilizzare fino a 4 ripetitori, il che consente alla lunghezza del segmento di raggiungere i 9,5 km. Sono comuni anche le possibili topologie di rete nel sistema di controllo, così come i principi di sicurezza intrinsecamente sicura.
Componenti del sistema
Gli elementi principali della rete Foundation Fieldbus H1 sono:
- il controllore del sistema di controllo decentralizzato (DCS);
- le fonti di alimentazione per il bus di campo;
- dispositivi di accoppiamento modulari o a blocchi;
- terminatori del bus;
- dispositivi di campo intelligenti.
Nella rete possono essere presenti anche dispositivi gateway (Linking Device), convertitori di protocollo, parafulmini e ripetitori.
Topologia di rete
Un concetto importante nella rete H1 è quello di segmento. Rappresenta una linea principale di comunicazione (Trunk), con diramazioni (Spur) che si collegano ai dispositivi di campo. Il cavo principale inizia dalla fonte di alimentazione del bus e finisce generalmente sull'ultimo dispositivo di accoppiamento. Per la connessione del controllore con i dispositivi di campo sono ammesse quattro tipologie di topologia: punto-punto, anello, bus e albero. Ogni segmento può essere costruito utilizzando una topologia separata o una combinazione di esse.
Utilizzando una topologia punto-punto, ogni dispositivo di campo si connette direttamente al controller. Ogni dispositivo di campo connesso forma un proprio segmento di rete. Questa topologia si rivela scomoda, poiché priva il sistema di quasi tutti i vantaggi offerti dal Foundation Fieldbus. Troppi interfacce vengono attivate sul controller, e per alimentare i dispositivi di campo dalla linea di dati, deve esserci una fonte di alimentazione per la bus di campo su ciascun collegamento. La lunghezza delle linee di collegamento risulta essere eccessiva, e lo scambio di informazioni tra i dispositivi avviene esclusivamente tramite il controller, il che non consente di sfruttare il principio di alta affidabilità dei sistemi H1.
La topologia a bus prevede un collegamento sequenziale tra i dispositivi di campo. Qui tutti i dispositivi di campo sono riuniti in un unico segmento, il che consente di utilizzare minori risorse. Tuttavia, questa topologia ha anche dei difetti: prima di tutto, è necessario prevedere metodi che non causino l'interruzione della comunicazione con gli altri in caso di guasto di uno dei sensori intermedi. Un altro svantaggio è spiegato dall'assenza di protezione contro i cortocircuiti nella linea di comunicazione, che impedirebbe lo scambio di informazioni nel segmento.
Le altre due topologie di rete, che offrono la massima affidabilità e praticità, sono la topologia a bus e la topologia ad albero, che sono state le più diffuse nella pratica nella costruzione delle reti H1. Il concetto di queste topologie è di utilizzare dispositivi di interfaccia per collegare i dispositivi di campo alla linea di comunicazione principale. I dispositivi di interfaccia consentono di collegare ciascun dispositivo di campo al proprio interfaccia.
Parametri di rete
Le questioni importanti nella progettazione di una rete H1 riguardano i suoi parametri fisici: quanti dispositivi sul campo possono essere utilizzati in un segmento, qual è la lunghezza massima di un segmento e quale lunghezza possono avere i diramazioni. La risposta a queste domande dipende dal tipo di alimentazione e dal consumo energetico dei dispositivi sul campo, e per gli oggetti potenzialmente esplosivi dai metodi di protezione contro le scintille.
Il numero massimo di dispositivi sul campo in un segmento (32) può essere raggiunto solo se alimentati da fonti locali in loco e in assenza di misure di protezione contro le scintille. Quando i sensori e gli attuatori sono alimentati tramite il bus dati, il numero massimo di dispositivi può essere solo 12 o meno, a seconda dei metodi di protezione contro le scintille.
La dipendenza del numero di dispositivi sul campo dal metodo di alimentazione e dalle misure di protezione contro le scintille.
La lunghezza del segmento di rete è determinata dal tipo di cavo utilizzato. La lunghezza massima di 1900 m è raggiungibile con un cavo di tipo A (cavo a coppie schermate). Utilizzando un cavo di tipo D (cavo multipolare non schermato con schermo comune) – solo 200 m. Per lunghezza del segmento si intende 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 delle diramazioni dipende dal numero di dispositivi nel segmento di rete. Così, per un numero di dispositivi fino a 12, la massima lunghezza è di 120 m. Con 32 dispositivi nel segmento, la lunghezza massima delle diramazioni sarà di soli 1 m. Quando si collegano dispositivi di campo tramite un cavo, ogni dispositivo aggiuntivo riduce la lunghezza della diramazione di 30 m.
Dipendenza della lunghezza delle diramazioni dal cavo principale dal numero di dispositivi di campo nel segmento.
Tutti questi fattori influiscono direttamente sulla struttura e sulla topologia del sistema. Per velocizzare il processo di progettazione della rete, vengono utilizzati software specifici, come DesignMate dell'organizzazione FieldComm Group o Fieldbus Network Planner dell'azienda Phoenix Contact. Questi programmi consentono di calcolare i parametri fisici ed elettrici della rete H1, tenendo conto di tutte le possibili limitazioni.
Destinazione dei componenti del sistema
Controller
Il compito del controller è realizzare le funzioni di Active Link Planning Scheduler (LAS) – il dispositivo principale che gestisce la rete inviando messaggi di servizio. Il LAS avvia lo scambio di informazioni tra i partecipanti alla rete tramite messaggi programmati (secondo un piano) o non programmati, esegue la diagnostica e la sincronizzazione di tutti i dispositivi.
Inoltre, il controller si occupa dell'indirizzamento automatico dei dispositivi di campo, agendo come dispositivo gateway e fornendo un'interfaccia Ethernet per comunicare con il livello superiore del sistema di controllo basato su Foundation Fieldbus HSE o su un altro protocollo di comunicazione. Per il livello superiore del sistema, il controller offre funzionalità di monitoraggio e gestione da parte dell'operatore, oltre a funzioni di configurazione remota dei dispositivi di campo.
Nella rete possono esserci più Scheduler Attivi delle Connessioni, garantendo la ridondanza delle funzioni incorporate. Nei sistemi moderni, le funzioni LAS possono essere implementate nel dispositivo gateway, che funge da convertitore di protocolli per i sistemi di controllo costruiti su uno standard diverso da Foundation Fieldbus HSE.
Alimentatori per il campo bus
Il sistema di alimentazione della rete H1 svolge un ruolo fondamentale, poiché per consentire lo scambio di informazioni nel cavo di trasmissione dati è necessario mantenere una tensione compresa tra 9 e 32 V in corrente continua. Indipendentemente dal fatto che i dispositivi sul campo siano alimentati dalla bus di trasmissione dati o da fonti di alimentazione locali, la rete richiede fonti di alimentazione della bus.
Pertanto, la loro funzione principale è quella di mantenere i parametri elettrici richiesti sulla bus, oltre a fornire energia ai dispositivi collegati alla rete. Gli alimentatori della bus si differenziano dai normali alimentatori in quanto presentano un'impedenza di uscita adeguata alle frequenze di trasmissione dati. Se nella rete H1 vengono utilizzati direttamente alimentatori da 12 o 24 V, il segnale verrà perso e lo scambio di informazioni sulla bus sarà impossibile.
Alimentatori riservati per la bus di campo FB-PS (montaggio per 4 segmenti).
Date l'importanza di garantire un'alimentazione affidabile della rete, le fonti di alimentazione di ciascun segmento possono essere riservate. Le fonti di alimentazione FB-PS di Phoenix Contact supportano la tecnologia di bilanciamento automatico del carico di corrente (Auto Current Balancing). L'ACB garantisce un carico simmetrico tra le fonti di alimentazione, il che ha effetti positivi sulla loro temperatura operativa e alla fine porta a un aumento della loro durata.
Il sistema di alimentazione della rete H1 si trova generalmente nel cabinet del controller.
Dispositivi di connessione
I dispositivi di connessione sono progettati per collegare un gruppo di dispositivi di campo al bus di trasmissione dati. In base alle funzioni svolte, sono suddivisi in due tipologie: moduli di protezione del segmento (Segment Protectors) e barriere di campo (Field Barriers).
Indipendentemente dal tipo, i dispositivi di accoppiamento proteggono la rete da cortocircuiti e sovraccarichi di corrente nelle linee di uscita. Quando si verifica un cortocircuito, il dispositivo di accoppiamento blocca la porta di interfaccia, impedendo che il cortocircuito si diffonda nel sistema e garantendo così lo scambio di informazioni tra gli altri dispositivi della rete. Una volta risolto il cortocircuito, la porta di comunicazione precedentemente bloccata torna a funzionare.
Le barriere di campo forniscono inoltre isolamento galvanico tra i circuiti non a prova di esplosione del bus di campo e i circuiti a prova di esplosione dei dispositivi di campo collegati (diramazioni).
Fisicamente, i dispositivi di accoppiamento esistono anche in due tipi: in esecuzione a blocchi e modulare. I dispositivi di accoppiamento a blocchi di tipo FB-12SP con funzionalità di protezione del segmento consentono di utilizzare circuiti a prova di esplosione IC per collegare dispositivi di campo nella Zona 2, mentre le barriere di campo FB-12SP ISO consentono di collegare dispositivi nelle Zone 1 e 0 utilizzando circuiti a prova di esplosione IA.
I dispositivi di accoppiamento FB-12SP e FB-6SP di Phoenix Contact.
Uno dei vantaggi dei dispositivi modulari è la possibilità di scalare il sistema, selezionando il numero necessario di canali per collegare i dispositivi di campo. Inoltre, i dispositivi modulari consentono di creare strutture flessibili. In un unico armadio di distribuzione è possibile combinare moduli di protezione del segmento e barriere di campo, ovvero collegare dai singoli armadi dispositivi di campo situati in diverse zone a rischio di esplosione. Su un singolo bus è possibile installare fino a 12 moduli a due canali FB-2SP o moduli a singolo canale delle barriere FB-ISO, collegando così fino a 24 dispositivi di campo in Zona 2 o fino a 12 sensori in Zona 1 o 0.
I dispositivi di accoppiamento possono essere utilizzati in un ampio intervallo di temperature e sono installati in involucri a prova di esplosione Ex e, Ex d con un grado di protezione contro polvere e umidità di almeno IP54, anche molto vicino all'oggetto di controllo.
Dispositivi di protezione contro le sovratensioni transitorie
Le reti di livello di campo N1 possono formare segmenti molto lunghi, e le linee di comunicazione possono passare in punti dove è possibile la formazione di sovratensioni impulsive. Per sovratensioni impulsive si intende la differenza di potenziale indotta, causata da scariche atmosferiche o cortocircuiti in linee di cavi vicine. La tensione indotta, il cui valore è dell'ordine di qualche kilovolt, provoca il flusso di correnti di scarica dell'ammontare di kiloampere. Tutti questi fenomeni si verificano nell'ordine dei microsecondi, ma possono portare al guasto dei componenti della rete N1. Per proteggere l'attrezzatura da tali fenomeni, è necessario utilizzare dispositivi di protezione contro le sovratensioni (UPS). L'uso di UPS invece di normali morsetti passanti garantisce un funzionamento affidabile e sicuro del sistema in condizioni sfavorevoli.
Il principio del suo funzionamento si basa sull'utilizzo di un quasi cortocircuito nel campo dei nanosecondi per il flusso di correnti di scarica nel circuito, in cui sono utilizzati elementi in grado di sostenere il passaggio di correnti di tale entità.
Esistono molte varianti di SPD: a canale singolo, a due canali, con spine intercambiabili e diversi tipi di diagnostica – in forma di blinker o contatto secco. I moderni strumenti di diagnosi di Phoenix Contact consentono di monitorare gli SPD utilizzando servizi digitali basati su Ethernet. Nell'impianto dell'azienda in Russia vengono prodotti dispositivi certificati per l'uso in ambienti esplosivi, inclusi quelli in sistemi Foundation Fieldbus.
Terminatore di bus
Il terminatore svolge due funzioni nella rete: shunta la corrente del bus di campo che si genera a causa della modulazione del segnale e impedisce la riflessione del segnale agli estremi della linea principale, prevenendo così la comparsa di rumori e jitter (oscillazione di fase del segnale digitale). In questo modo, il terminatore evita l'insorgere di dati imprecisi nella rete o addirittura la perdita dei dati.
In ogni segmento della rete H1 devono essere presenti due terminatori, su ciascun lato del segmento. Le fonti di alimentazione del bus e i dispositivi di accoppiamento Phoenix Contact sono dotati di terminatori disattivabili. La presenza di terminatori aggiuntivi in rete, ad esempio a causa di un errore, ridurrà notevolmente il livello del segnale nella linea di interfaccia.
Scambio di informazioni tra segmenti
Lo scambio di informazioni tra dispositivi sul campo non è limitato a un solo segmento, ma è possibile tra diverse parti della rete, che possono essere collegate tramite un controllore o la rete aziendale basata su Ethernet. In questo caso, può essere utilizzato il protocollo Foundation Fieldbus HSE o, più comunemente, Modbus TCP.
Nella costruzione della rete HSE vengono utilizzati switch di livello industriale. Il protocollo consente il ripristino anello. In questo caso, è importante tenere presente che nella topologia ad anello gli switch devono utilizzare uno dei protocolli di ripristino (RSTP, MRP o Extended Ring Redundancy) in base alla grandezza e ai tempi di convergenza richiesti della rete in caso di interruzione delle comunicazioni.
L'integrazione dei sistemi basati su HSE con sistemi esterni è possibile grazie alla tecnologia ORC.
Metodi per garantire la sicurezza contro le esplosioni
Per realizzare un sistema sicuro contro le esplosioni, non è sufficiente basarsi solo sulle caratteristiche di sicurezza esplosiva delle attrezzature e sulla scelta della loro corretta collocazione nell'area. All'interno del sistema, ciascun dispositivo non funziona autonomamente, ma opera come parte di una rete integrata. Nelle reti Foundation Fieldbus H1, lo scambio di informazioni tra dispositivi situati in diverse zone esplosive non riguarda solo il trasferimento dei dati, ma anche la trasmissione di energia elettrica. La quantità di energia che era accettabile in una zona può risultare inadeguata in un'altra. Pertanto, per valutare la sicurezza contro le esplosioni delle reti di campo e scegliere il metodo ottimale per garantirla, si utilizza un approccio sistemico. Tra questi metodi, i metodi di sicurezza contro le scintille hanno trovato il maggiore impiego.
Per quanto riguarda gli pneumatici da campo, attualmente esistono diversi metodi per garantire la sicurezza contro le scintille: il metodo tradizionale delle barriere di protezione contro le scintille, il concetto FISCO e la tecnologia High Power Trunk (HPT).
Il primo di essi si basa sull'uso di barriere di protezione contro le scintille e realizza un concetto collaudato, che è stato utilizzato nei sistemi di controllo basati su segnali analogici 4-20 mA. Questo metodo è semplice e affidabile, tuttavia limita l'alimentazione dei dispositivi da campo nelle zone pericolose 0 e 1 a 80 mA. In questo caso, con una previsione ottimistica, è possibile collegare non più di 4 dispositivi da campo su un segmento con consumo di 20 mA, ma nella pratica non più di 2. In questo caso, il sistema perde tutti i vantaggi esistenti nel Foundation Fieldbus e in effetti porta a una topologia punto-punto, dove per collegare un numero elevato di dispositivi da campo il sistema deve essere suddiviso in molteplici segmenti. Inoltre, questo metodo limita significativamente la lunghezza del cavo principale e dei derivati.
Il concetto FISCO è stato sviluppato dall'Istituto Nazionale di Metrologia della Germania ed è poi stato integrato negli standard IEC e successivamente nel GOST. Per garantire la sicurezza contro le scintille della rete di campo, il concetto prevede l'uso di componenti che soddisfano determinati vincoli. Tali vincoli sono formulati per le fonti di alimentazione in base alla potenza in uscita, per i dispositivi di campo in relazione alla potenza assorbita e all'induttanza, e per i cavi in termini di resistenza, capacità e induttanza. Questi limiti sono legati al fatto che elementi capacitivi e induttivi possono accumulare energia, la quale, in una situazione di emergenza, in caso di danneggiamento di qualche elemento del sistema, può essere rilasciata e causare un arco elettrico. Inoltre, il concetto vieta l'uso del ridondanza nel sistema di alimentazione del bus.
FISCO offre una grande quantità di corrente per alimentare i dispositivi in zone esplosive rispetto al metodo dei barriere di campo. Qui sono disponibili 115 mA, che possono essere utilizzati per alimentare 4-5 dispositivi nel segmento. Tuttavia, ci sono anche limitazioni sulla lunghezza del cavo principale e dei rami.
La tecnologia High Power Trunk è attualmente la tecnologia più diffusa per garantire la sicurezza contro le esplosioni nelle reti Foundation Fieldbus, poiché è priva degli svantaggi presenti nelle reti protette da barriere o costruite secondo FISCO. Con l'uso di HPT, è stato possibile raggiungere il limite massimo degli dispositivi di campo nel segmento di rete.
La tecnologia non limita i parametri elettrici della rete dove non è necessario, ad esempio sulla linea di comunicazione principale, dove non è necessario manutenzione e sostituzione delle attrezzature. Per collegare dispositivi di campo situati in zone esplosive, si utilizzano dispositivi di accoppiamento con funzionalità di barriere di campo, che limitano i parametri elettrici della rete per alimentare i sensori e si trovano direttamente accanto all'oggetto di controllo. In questo caso, lungo tutto il segmento si utilizza il tipo di protezione da esplosione Ex e (protezione aumentata).
Fonte: habr.com
