Foundation Fieldbus è un sistema di comunicazione digitale utilizzato nell'automazione, insieme a tecnologie come Profibus, Modbus o HART. Questa tecnologia è emersa qualche anno dopo i suoi concorrenti: la prima versione dello standard è datata 1996 e attualmente comprende due protocolli di scambio di informazioni tra i partecipanti della 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 di livello fisico IEC 61158-2, consentendo una velocità di trasmissione dei 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 si basa su reti Ethernet ad alta velocità (100/1000 Mbit/s) ed è utilizzata per costruire la rete di AСУ ТП a livello di controllori e sistemi di gestione aziendale.
La tecnologia è applicabile nella costruzione di AСУ ТП per qualsiasi tipo di impianto industriale, ma ha trovato la sua maggiore diffusione nelle aziende del settore petrolifero, del gas e dell'industria chimica.
Le possibilità della tecnologia
Foundation Fieldbus è stata sviluppata come alternativa al modello tradizionale dei sistemi di controllo automatizzati basati su sensori analogici e ha ricevuto numerosi vantaggi sia rispetto al modello tradizionale che ai sistemi digitali basati su Profibus o HART.
Uno dei principali vantaggi consiste nell'elevato grado di affidabilità e tolleranza ai guasti dei sistemi H1, che si ottiene grazie a due fattori:
- l'uso di dispositivi intelligenti (sensori e attuatori) a livello di campo;
- la possibilità di organizzare lo scambio di informazioni direttamente tra i dispositivi di campo senza il coinvolgimento del controllore.
L'intelligenza dei dispositivi di campo consiste nella possibilità di incorporare algoritmi di gestione e di elaborazione delle informazioni, che tradizionalmente sono implementati nel controllore. In pratica, ciò consente al sistema di continuare a funzionare anche in caso di guasto del controllore. Per questo, è necessario che i dispositivi di campo siano configurati in modo appropriato e che sia garantito 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 risiedono nella possibilità di ottenere un maggiore volume di dati, oltre alla misurazione, da ciascun dispositivo di campo, il che alla fine espande l'ambito di monitoraggio del processo, che nei tradizionali sistemi analogici è limitato dal sistema di input-output di segnali.
L'uso di una topologia a bus nella rete H1 consente di ridurre la lunghezza delle linee di cavi, il volume dei lavori di installazione, di rinunciare all'uso di attrezzature aggiuntive nei sistemi di controllo: moduli di input-output, alimentatori e, nelle zone esplosive, barriere antipolvere.
H1 consente l'uso di cavi per linee di comunicazione dei sensori 4-20 mA, il che può essere utilizzato nella modernizzazione di vecchi sistemi di controllo. Grazie all'utilizzo dei principi di sicurezza intrinseca, la tecnologia è ampiamente utilizzata in ambienti esplosivi. La stessa standardizzazione garantisce l'intercambiabilità e la compatibilità delle attrezzature dei vari produttori e, grazie ai dispositivi gateway, è possibile collegare la rete di dispositivi di campo e le reti di automazione delle imprese costruite su Ethernet.
La maggiore somiglianza del Foundation Fieldbus H1 è con i sistemi Profibus PA. Entrambe le tecnologie si basano su uno stesso standard di livello fisico, quindi le velocità di trasmissione dei dati, l'uso della codifica Manchester, i parametri elettrici della linea di comunicazione, la quantità di potenza trasferibile e la lunghezza massima del cavo in un segmento di rete (1900 m) sono identici. Inoltre, in entrambi i sistemi è possibile utilizzare fino a 4 ripetitori, il che consente di raggiungere una lunghezza del segmento fino a 9,5 km. Sono comuni anche le possibili topologie di rete nel sistema di controllo, nonché i principi di garanzia della sicurezza intrinseca.
Componenti del sistema
Gli elementi principali della rete Foundation Fieldbus H1 sono:
- controller di sistema di controllo decentralizzato (DCS);
- fonti di alimentazione per il bus di campo;
- dispositivi di accoppiamento a blocchi o modulari;
- terminatori del bus;
- dispositivi di campo intelligenti.
Nel sistema possono anche essere presenti dispositivi gateway (Linking Device), convertitori di protocollo, dispositivi di protezione contro le sovratensioni (UPS) e ripetitori.
Topologia di rete
Un concetto importante nella rete H1 è il concetto di segmento. Rappresenta una linea di comunicazione principale (Trunk), con diramazioni (Spur) da cui sono collegati i dispositivi di campo. Il cavo principale inizia all'alimentatore del bus e termina normalmente all'ultimo dispositivo di accoppiamento. Per la comunicazione tra il controllore e i dispositivi di campo sono ammessi quattro tipi di topologie: punto-punto, bus, anello e albero. Ogni segmento può essere costruito sia utilizzando una topologia separata che combinazioni di esse.
Nell'uso della topologia punto-punto, ogni dispositivo di campo è collegato direttamente al controllore. In questo modo, ogni dispositivo di campo collegato forma il proprio segmento di rete. Questa topologia risulta scomoda, poiché priva il sistema quasi di tutti i vantaggi insiti nel Foundation Fieldbus. Sul controllore vengono utilizzate troppe interfacce e per alimentare i dispositivi di campo dal bus dati, su ogni linea di comunicazione deve trovarsi la propria fonte di alimentazione del bus di campo. La lunghezza delle linee di comunicazione risulta troppo lunga e lo scambio di informazioni tra i dispositivi avviene solo tramite il controllore, il che non consente di utilizzare il principio di alta affidabilità dei sistemi H1.
La topologia anello implica una connessione sequenziale tra i dispositivi di campo. Qui tutti i dispositivi di campo sono uniti in un unico segmento, il che permette di utilizzare meno risorse. Tuttavia, questa topologia ha anche degli svantaggi – innanzitutto è necessario prevedere metodi in cui il guasto di uno dei sensori intermedi non porti all'interruzione della comunicazione con gli altri. Un altro svantaggio è dovuto all'assenza di protezione contro i cortocircuiti nella linea di comunicazione, il che rende impossibile lo scambio di informazioni nel segmento.
La maggiore affidabilità e praticità sono offerte da altre due topologie di rete: la topologia a bus e la topologia ad albero, che sono quelle più diffuse nella pratica nella costruzione delle reti H1. Il senso di queste topologie risiede utilizzando dispositivi di accoppiamento per connettere i dispositivi di campo alla linea principale di comunicazione. I dispositivi di accoppiamento consentono di collegare ogni dispositivo di campo a un'interfaccia dedicata.
Parametri di rete
Le questioni importanti nella costruzione della rete H1 riguardano i suoi parametri fisici: quanti dispositivi di campo possono essere utilizzati in un segmento, quale lunghezza massima può avere un segmento e la lunghezza delle diramazioni. La risposta a queste domande dipende dal tipo di alimentazione e dal consumo energetico dei dispositivi di campo e, per gli oggetti esplosivi, dai metodi di garanzia della sicurezza contro le esplosioni.
Il numero massimo di dispositivi di campo in un segmento (32) può essere raggiunto solo se alimentati da sorgenti locali in loco e in assenza di mezzi di garanzia della sicurezza contro le esplosioni. Quando i sensori e gli attuatori sono alimentati dalla linea dati, il numero massimo di dispositivi può essere solo 12 o meno, a seconda dei metodi di garanzia della sicurezza contro le esplosioni.
Dipendenza del numero di dispositivi di campo dal tipo di alimentazione e dai metodi di garanzia della sicurezza contro le esplosioni.
La lunghezza del segmento di rete è determinata dal tipo di cavo utilizzato. La lunghezza massima di 1900 m si ottiene utilizzando cavo di tipo A (cavo a coppie ritorte con schermatura). Con il cavo di tipo D (cavo multigiro non schermato con schermatura comune) la massima lunghezza è solo di 200 m. Per lunghezza del segmento si intende la somma delle lunghezze del cavo principale e di tutte le diramazioni.
Dipendenza della lunghezza del segmento dal tipo di cavo.
La lunghezza delle diramazioni dipende dal numero di dispositivi nel segmento di rete. Così, con fino a 12 dispositivi, la massima lunghezza è di 120 m. Con 32 dispositivi nel segmento, la lunghezza massima delle diramazioni è di appena 1 m. Quando i dispositivi di campo sono collegati a catena, ogni dispositivo aggiuntivo riduce la lunghezza della diramazione di 30 m.
Dipendenza della lunghezza delle diramazioni dal cavo principale in relazione al numero di dispositivi di campo nel segmento.
Tutti questi fattori influiscono direttamente sulla struttura e sulla topologia del sistema. Per accelerare il processo di progettazione della rete, si utilizzano complessi software specializzati, come DesignMate dell'organizzazione FieldComm Group o Fieldbus Network Planner dell'azienda Phoenix Contact. I programmi consentono di calcolare i parametri fisici ed elettrici della rete H1, tenendo conto di tutte le possibili limitazioni.
Scopo dei componenti del sistema
Controller
Il compito del controller consiste nell'implementare le funzioni dell'Attivo Pianificatore di Connessioni (LAS) – il principale dispositivo 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 calendario) o non programmati, esegue diagnosi e sincronizzazione di tutti i dispositivi.
Inoltre, il controller è responsabile della 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 un altro protocollo di comunicazione. Per il livello superiore del sistema, il controller offre funzioni di monitoraggio e controllo da parte dell'operatore, nonché funzioni di configurazione remota dei dispositivi di campo.
Nella rete possono esserci diversi Attivi Pianificatori di Connessioni, a garanzia della riserva delle funzioni in essi previste. Nei sistemi moderni, le funzioni del LAS possono essere implementate nel dispositivo gateway, che funge da convertitore di protocollo per sistemi di controllo basati su standard diversi da Foundation Fieldbus HSE.
Fonti di alimentazione del bus di campo
Il sistema di alimentazione nella rete H1 gioca un ruolo chiave, poiché per consentire lo scambio di informazioni nel cavo di trasmissione dati deve essere mantenuta una tensione compresa tra 9 e 32 V in corrente continua. Indipendentemente dal fatto che i dispositivi di campo siano alimentati dal bus di trasmissione dati o da fonti di alimentazione locali, nella rete sono necessarie fonti di alimentazione per il bus.
Pertanto, la loro funzione principale è mantenere i parametri elettrici richiesti sul bus, oltre a fornire energia ai dispositivi collegati alla rete. A differenza dei normali alimentatori, le fonti di alimentazione del bus si distinguono per avere una corrispondente impedenza del circuito di uscita alle frequenze di trasmissione dei dati. Se per alimentare la rete H1 si utilizzano direttamente alimentatori a 12 o 24 V, il segnale andrà perso e lo scambio di informazioni sul bus sarà impossibile.
Fonti di alimentazione riservate per il bus di campo FB-PS (assemblaggio per 4 segmenti).
Considerata l'importanza di garantire un'alimentazione affidabile del bus, le fonti di alimentazione di ciascun segmento della rete 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 influisce positivamente sul loro regime termico e porta in definitiva a un aumento della loro durata.
Il sistema di alimentazione della rete H1 si trova generalmente nell'armadio del controller.
Dispositivi di interfaccia
I dispositivi di interfaccia sono progettati per collegare un gruppo di dispositivi di campo al bus di trasmissione dei dati. A seconda delle funzioni eseguite, si suddividono in due tipi: moduli di protezione del segmento (Segment Protectors) e barriere di campo (Field Barriers).
Indipendentemente dal tipo, i dispositivi di interfaccia proteggono la rete da cortocircuiti e sovraccarichi di corrente nelle linee di uscita. In caso di cortocircuito, il dispositivo di interfaccia blocca la porta di interfaccia, impedendo la diffusione del cortocircuito nel sistema e garantendo così lo scambio di informazioni tra gli altri dispositivi della rete. Una volta risolto il cortocircuito sulla linea, la porta di comunicazione precedentemente bloccata riprende 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).
I dispositivi di interfaccia fisici possono anche essere di due tipi: in versione compatta e modulare. I dispositivi di interfaccia FB-12SP, dotati di funzionalità di protezione del segmento, consentono di utilizzare circuiti di sicurezza intrinsecamente sicuri IC per il collegamento di dispositivi sul campo nella Zona 2, mentre le barriere per campo FB-12SP ISO permettono di collegare dispositivi nella Zona 1 e 0 tramite circuiti intrinsecamente sicuri IA.
I dispositivi di interfaccia 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 il collegamento dei dispositivi sul 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, consentendo così di collegare dispositivi sul campo situati in diverse zone di pericolo. In totale, su un bus possono essere installati fino a 12 moduli a due canali FB-2SP o moduli a un canale delle barriere FB-ISO, collegando così fino a 24 dispositivi sul campo nella Zona 2 o fino a 12 sensori nella Zona 1 o 0.
I dispositivi di interfaccia possono operare in un ampio intervallo di temperature e sono installati in involucri antideflagranti Ex e, Ex d con un grado di protezione contro la polvere e l'umidità di almeno IP54, anche il più vicino possibile all'oggetto di controllo.
Dispositivi di protezione contro le sovratensioni transitorie
Le reti di livello di campo N1 possono formare segmenti molto estesi, e le linee di comunicazione possono passare in luoghi dove potrebbero verificarsi sovratensioni transitorie. Per sovrat tensioni transitorie si intende una differenza di potenziale indotta causata da scariche atmosferiche o cortocircuiti nelle linee di cavo vicine. La tensione indotta, il cui valore è dell'ordine di diverse kilovolt, provoca la circolazione di correnti di scarica di grandezza in ampere. Tutti questi fenomeni si verificano in pochi microsecondi, ma possono portare al malfunzionamento dei componenti della rete N1. Per proteggere l'attrezzatura da tali fenomeni, è necessario utilizzare dispositivi di protezione contro le sovratensioni (UZI). L'uso di UZI al posto di normali morsetti passanti garantisce un funzionamento affidabile e sicuro del sistema in condizioni avverse.
Il principio del suo funzionamento si basa sull'uso di un quasi corto circuito nell'intervallo dei nanosecondi per il passaggio delle correnti di scarica nel circuito, in cui vengono utilizzati elementi in grado di sopportare il passaggio di correnti di tale entità.
Esistono numerose varianti di UZIP: a canale singolo, a doppio canale, con spine intercambiabili, con vari tipi di diagnostica - sotto forma di blinker, contatto secco. I moderni strumenti di diagnostica di Phoenix Contact consentono di monitorare gli UZIP utilizzando servizi digitali basati su Ethernet. Nello stabilimento dell'azienda in Russia vengono prodotti dispositivi certificati per l'uso in ambienti esplosivi, inclusi quelli nei sistemi Foundation Fieldbus.
Terminatore di bus
Il terminatore svolge due funzioni nella rete: shuntare la corrente del bus di campo, che si verifica a causa della modulazione del segnale, e prevenire il riflesso del segnale alle estremità della linea principale, evitando così la comparsa di rumori e jitter (fluttuazione di fase del segnale digitale). In questo modo, il terminatore permette di evitare la comparsa di dati imprecisi nella rete o la perdita totale dei dati.
In ogni segmento della rete H1 è obbligatoria la presenza di due terminatori, su ciascuna delle estremità del segmento. Le alimentazioni del bus e i dispositivi di interfaccia di Phoenix Contact sono dotati di terminatori disattivabili. La presenza di terminatori superflui nella rete, ad esempio, a causa di un errore, ridurrà significativamente il livello del segnale nella linea di interfaccia.
Scambio di informazioni tra i segmenti
Lo scambio di informazioni tra i dispositivi di campo non è limitato a un solo segmento, ma può avvenire tra diverse parti della rete, che possono essere collegate tramite un controllore o una rete aziendale basata su Ethernet. In questo caso può essere utilizzato il protocollo Foundation Fieldbus HSE o uno più popolare, come Modbus TCP.
Nella costruzione della rete HSE vengono utilizzati switch industriali. Il protocollo consente il ring backup. In questo caso è importante ricordare che nella topologia a anello gli switch devono utilizzare uno dei protocolli di backup (RSTP, MRP o Extended Ring Redundancy) a seconda della dimensione e del tempo di convergenza richiesto della rete in caso di interruzione dei canali di comunicazione.
L'integrazione dei sistemi basati su HSE con sistemi di terze parti è possibile utilizzando la tecnologia ORS.
Metodi di sicurezza contro le esplosioni
Per creare un sistema a prova di esplosione, non è sufficiente basarsi solo sulle caratteristiche di esplosione delle attrezzature e sulla scelta della loro corretta posizione nell'oggetto. All'interno del sistema, ciascun dispositivo non funziona da solo, ma opera all'interno di una rete unificata. Nelle reti Foundation Fieldbus H1, lo scambio di informazioni tra dispositivi situati in diverse zone pericolose non è solo legato alla trasmissione di dati, ma anche alla trasmissione di energia elettrica. La quantità di energia che è stata consentita in una zona può essere inaccettabile 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 più diffusi sono quelli di sicurezza contro le scintille.
Per quanto riguarda le bus di campo, attualmente esistono diversi modi per garantire la sicurezza contro le scintille: il metodo tradizionale dei barriere di protezione dalle scintille, il concetto FISCO e la tecnologia High Power Trunk (HPT).
Il primo di essi si basa sull'uso di barriere di protezione dalle scintille e realizza un concetto collaudato, utilizzato nei sistemi di controllo basati su segnali analogici 4-20 mA. Questo metodo è semplice e affidabile, ma limita l'alimentazione dei dispositivi di campo nelle zone pericolose 0 e 1 a 80 mA. In questo caso, con un'ottimistica previsione, è possibile collegare non più di 4 dispositivi di campo a un segmento con un 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 porta di fatto a una topologia punto-punto, quando per collegare un gran numero di dispositivi di campo il sistema deve essere suddiviso in molti segmenti. Inoltre, questo metodo limita notevolmente la lunghezza del cavo principale e delle diramazioni.
Il concetto FISCO è stato sviluppato dal "Istituto Nazionale di Metrologia della Germania" ed è successivamente entrato negli standard IEC, e poi nel GOST. Per garantire la sicurezza contro le scintille della rete di campo, il concetto prevede l'uso di componenti che soddisfano determinate restrizioni. Tali restrizioni sono formulate per le fonti di alimentazione in base alla potenza in uscita, per i dispositivi di campo in base alla potenza assorbita e all'induttanza, e per i cavi in base alla resistenza, alla capacità e all'induttanza. Tali limitazioni sono legate al fatto che gli elementi capacitivi e induttivi possono accumulare energia, che in caso di emergenza, qualora si danneggi uno qualsiasi degli elementi del sistema, può liberarsi e causare uno scarico elettrico. Inoltre, il concetto vieta l'uso di riserve nel sistema di alimentazione del bus.
FISCO fornisce una grande quantità di corrente per alimentare i dispositivi nelle 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 di campo e delle diramazioni.
La tecnologia High Power Trunk è attualmente la tecnologia più comune per garantire la sicurezza contro le scintille nelle reti Foundation Fieldbus, in quanto è priva dei difetti presenti nelle reti protette da barriere o costruite secondo FISCO. Con l'uso dell'HPT è stato possibile raggiungere il valore limite per i dispositivi di campo nel segmento della rete.
La tecnologia non limita i parametri elettrici della rete dove non è necessario, ad esempio sulla linea principale di comunicazione, dove non c'è esigenza di manutenzione e sostituzione dell'attrezzatura. Per collegare i dispositivi di campo situati in una zona esplosiva, vengono utilizzati 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 un tipo di protezione contro le esplosioni Ex e (protezione aumentata).
Fonte: habr.com
