מערכות אוטומציה המבוססות על Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus היא מערכת תקשורת דיגיטלית המשמשת באוטומציה יחד עם Profibus, Modbus או HART. הטכנולוגיה הופיעה מאוחרת במקצת ממתחרותיה: המהדורה הראשונה של התקן מתוארכת לשנת 1996 וכוללת כיום שני פרוטוקולים לחילופי מידע בין משתתפי הרשת - H1 ו-HSE (High Speed ​​​​Ethernet).

פרוטוקול H1 משמש להחלפת מידע ברמת החיישן והבקר, והרשת שלו מבוססת על תקן השכבה הפיזית IEC 61158-2, המאפשר קצב העברת נתונים של 31,25 kbit/s. במקרה זה, ניתן לספק חשמל להתקני שטח מאפיק הנתונים. רשת HSE מבוססת על רשתות Ethernet מהירות (100/1000 Mbit/s) ומשמשת לבניית רשת מערכת בקרת תהליכים אוטומטית ברמת הבקרים ומערכות הניהול הארגוניות.

הטכנולוגיה ישימה בבניית מערכות אוטומטיות לבקרת תהליכים עבור כל מתקנים תעשייתיים, אך היא נפוצה ביותר בארגונים בתעשיית הנפט והגז ובתעשייה הכימית.

יכולות טכנולוגיות

Foundation Fieldbus פותחה כחלופה למודל המסורתי של מערכות בקרה אוטומטיות המבוססות על חיישנים אנלוגיים ויש לה מספר יתרונות הן על הדגם המסורתי והן על המערכות הדיגיטליות המבוססות על Profibus או HART.

אחד היתרונות העיקריים הוא מידת האמינות הגבוהה וסובלנות התקלות של מערכות קרן Fieldbus H1, אשר מושגת עקב שני גורמים:

• שימוש במכשירים חכמים (חיישנים ומפעילים) ברמת השטח;
• היכולת לארגן חילופי מידע ישירות בין מכשירים ברמת השטח ללא השתתפות של בקר.

האינטליגנציה של מכשירי שטח טמונה ביכולת ליישם אלגוריתמי בקרה ועיבוד מידע המיושמים באופן מסורתי בבקר. בפועל, זה מאפשר למערכת להמשיך לפעול גם אם הבקר נכשל. זה מחייב את התצורה המתאימה של התקני השדה ושתסופק אספקת חשמל מהימנה של אוטובוס שדה.

יתרונות נוספים הנגזרים מדיגיטליזציה של מערכת הבקרה ושימוש בחיישנים חכמים כוללים את היכולת להשיג יותר נתונים מעבר למדידה מכל מכשיר שטח, ובסופו של דבר מרחיבים את היקף ניטור התהליך שבמערכות אנלוגיות מסורתיות מוגבל למערכת הקלט/פלט האותות. .

השימוש בטופולוגיית אפיק ברשת H1 מאפשר לצמצם את אורך קווי הכבלים, את כמות עבודת ההתקנה ולבטל את השימוש בציוד נוסף במערכות בקרה: מודולי קלט/פלט, ספקי כוח ובאזורים מסוכנים - מחסומי הגנה מפני ניצוץ.

קרן Fieldbus ה-H1 מאפשר שימוש בכבלי תקשורת חיישן 4-20 mA, בהם ניתן להשתמש בעת שדרוג מערכות בקרה ישנות יותר. הודות לשימוש בעקרונות בטיחות פנימיים, הטכנולוגיה נמצאת בשימוש פעיל בסביבות נפיצות. התקינה עצמה מבטיחה את ההחלפה והתאימות של ציוד מיצרנים שונים, ובזכות מכשירי שער אפשר להתממשק לרשת של התקני שטח ורשת מערכת בקרה תעשייתית של ארגונים הבנויים על Ethernet.

Foundation Fieldbus H1 דומה ביותר למערכות Profibus PA. שתי הטכנולוגיות מבוססות על אותו תקן שכבה פיזית, כך שלמערכות אלו יש את אותם קצבי העברת נתונים, שימוש בקידוד מנצ'סטר, פרמטרים חשמליים של קו התקשורת, כמות הכוח המשודר האפשרי ואורך הכבל המרבי המותר ברשת קטע (1900 מ'). כמו כן, בשתי המערכות ניתן להשתמש בעד 4 רפיטרים, שבגללם אורך הקטע יכול להגיע כבר ל-9,5 ק"מ. טופולוגיות רשת אפשריות במערכת הבקרה, כמו גם עקרונות להבטחת בטיחות פנימית, נפוצים.

רכיבי מערכת

המרכיבים העיקריים של רשת Foundation Fieldbus H1 הם:

• בקר מערכת בקרה מבוזרת (DCS);
• ספקי כוח fieldbus;
• התקני ממשק בלוק או מודולרי;
• מחלימי אוטובוסים;
• מכשירי שטח חכמים.

המערכת עשויה להכיל גם התקני שער (התקן קישור), ממירי פרוטוקולים, SPDs ומשחזרים.

טופולוגיית רשת

מושג חשוב ברשת H1 הוא מושג הסגמנט. זהו קו תקשורת ראשי (Trunk), שממנו נמשכים סניפים (Spur), אליו מחוברים מכשירי שטח. כבל המטען מתחיל במקור החשמל של האוטובוס ומסתיים בדרך כלל בהתקן הממשק האחרון. ארבעה סוגי טופולוגיה מותרים לתקשורת בין הבקר להתקני השדה: נקודה לנקודה, לולאה, אפיק ועץ. ניתן לבנות כל קטע באמצעות טופולוגיה נפרדת או באמצעות השילובים שלהם.

עם טופולוגיה מנקודה לנקודה, כל התקן שדה מחובר ישירות לבקר. במקרה זה, כל התקן שדה מחובר יוצר קטע רשת משלו. טופולוגיה זו אינה נוחה מכיוון שהיא מונעת מהמערכת כמעט את כל היתרונות הגלומים ב-Foundation Fieldbus. יש יותר מדי ממשקים בבקר, וכדי להפעיל התקני שדה מאפיק הנתונים, לכל קו תקשורת חייב להיות אספקת חשמל משלו באפיק שדה. אורכם של קווי התקשורת מתברר כארוך מדי, וחילופי מידע בין מכשירים מתבצעים רק באמצעות הבקר, אשר אינו מאפשר שימוש בעקרון של סובלנות תקלות גבוהה של מערכות H1.

טופולוגיית הלולאה מרמזת על חיבור טורי של התקני שדה זה לזה. כאן, כל מכשירי השטח משולבים למקטע אחד, מה שמאפשר שימוש בפחות משאבים. עם זאת, לטופולוגיה זו יש גם חסרונות - קודם כל, יש צורך לספק שיטות שבהן כשל של אחד מחיישני הביניים לא יוביל לאובדן תקשורת עם האחרים. חיסרון נוסף מוסבר על ידי היעדר הגנה מפני קצר חשמלי בקו התקשורת, שבו חילופי מידע בקטע יהיו בלתי אפשריים.

לשתי טופולוגיות רשת אחרות יש את המהימנות והפרקטיות הגדולות ביותר - טופולוגיית אוטובוסים ועצים, שמצאו את התפוצה הגדולה ביותר בפועל בעת בניית רשתות H1. הרעיון מאחורי הטופולוגיות הללו הוא להשתמש בהתקני ממשק כדי לחבר התקני שטח לעמוד השדרה. התקני צימוד מאפשרים לחבר כל מכשיר שטח לממשק משלו.

הגדרות רשת

שאלות חשובות בבניית רשת H1 הן הפרמטרים הפיזיים שלה - כמה מכשירי שטח ניתן להשתמש בקטע, מהו האורך המקסימלי של קטע, כמה ארוכים יכולים להיות הסניפים. התשובה לשאלות אלו תלויה בסוג אספקת החשמל ובצריכת האנרגיה של מכשירי השטח, ובאזורים מסוכנים, בשיטות להבטחת בטיחות פנימית.

ניתן להשיג את המספר המרבי של התקני שטח בקטע (32) רק אם הם מופעלים ממקורות מקומיים באתר ואם בטיחות פנימית אינה זמינה. בעת הפעלת חיישנים ומפעילים מאפיק הנתונים, המספר המרבי של התקנים עשוי להיות רק 12 או פחות, בהתאם לשיטות הבטיחות הפנימיות.

תלות של מספר התקני השטח בשיטת אספקת החשמל ובשיטות להבטחת בטיחות פנימית.

אורך קטע הרשת נקבע לפי סוג הכבל המשמש. האורך המרבי של 1900 מ' מושג כאשר משתמשים בכבל מסוג A (זוג מעוות עם מגן). בעת שימוש בכבל מסוג D (לא כבל רב ליבות מעוות עם מגן משותף) - רק 200 מ' אורך קטע מובן כסכום אורכי הכבל הראשי וכל הענפים ממנו.

תלוי באורך המקטע בסוג הכבל.

אורך הסניפים תלוי במספר המכשירים בפלח הרשת. לכן, עם מספר המכשירים עד 12, מדובר במקסימום של 120 מ'. כאשר משתמשים ב-32 מכשירים בקטע, האורך המרבי של הענפים יהיה 1 מ' בלבד. כאשר מחברים מכשירי שטח עם לולאה, כל מכשיר נוסף מקטין את אורך הענף ב-30 מ'.

תלוי באורך הענפים מהכבל הראשי במספר התקני השדה בקטע.

כל הגורמים הללו משפיעים ישירות על המבנה והטופולוגיה של המערכת. כדי להאיץ את תהליך עיצוב הרשת, נעשה שימוש בחבילות תוכנה מיוחדות, כגון DesignMate מקבוצת FieldComm או Fieldbus Network Planner מבית Phoenix Contact. התוכניות מאפשרות לך לחשב את הפרמטרים הפיזיים והחשמליים של רשת H1, תוך התחשבות בכל ההגבלות האפשריות.

מטרת רכיבי המערכת

בקר

המשימה של הבקר היא ליישם את הפונקציות של ה-Link Active Scheduler (LAS), המכשיר הראשי המנהל את הרשת על ידי שליחת הודעות שירות. LAS יוזמת חילופי מידע בין משתתפי הרשת עם הודעות מתוכננות (מתוזמנות) או לא מתוכננות, מאבחנת ומסנכרנת את כל המכשירים.

בנוסף, הבקר אחראי על הפנייה האוטומטית של התקני שטח ופועל כהתקן שער, המספק ממשק Ethernet לתקשורת עם הרמה העליונה של מערכת הבקרה המבוססת על Foundation Fieldbus HSE או פרוטוקול תקשורת אחר. ברמה העליונה של המערכת, הבקר מספק פונקציות ניטור ובקרה למפעיל, כמו גם פונקציות לתצורה מרחוק של התקני שטח.

ייתכן שיהיו מספר מתזמני קישור פעיל ברשת, המבטיחים את יתירות הפונקציות המוטמעות בהם. במערכות מודרניות, ניתן ליישם פונקציות LAS בהתקן שער הפועל כממיר פרוטוקול למערכות בקרה הבנויות על תקן אחר מאשר Foundation Fieldbus HSE.

ספקי כוח Fieldbus

מערכת אספקת החשמל ברשת H1 משחקת תפקיד מפתח, שכן כדי שחילופי הנתונים יתאפשרו, המתח בכבל הנתונים חייב להישמר בטווח של 9 עד 32 V DC. בין אם התקני שטח מופעלים על ידי אפיק הנתונים או על ידי ספקי כוח בשטח, הרשת דורשת ספקי כוח של אפיק.

לכן, המטרה העיקרית שלהם היא לשמור על הפרמטרים החשמליים הנדרשים באוטובוס, כמו גם להפעיל את המכשירים המחוברים לרשת. ספקי כוח אפיק שונים מספקי כוח קונבנציונליים בכך שיש להם עכבת מעגל מוצא תואמת בתדרי שידור נתונים. אם אתה משתמש ישירות בספקי כוח של 1 או 12 וולט כדי להפעיל את רשת H24, האות יאבד וחילופי מידע על האוטובוס לא יתאפשרו.

ספקי כוח מיותרים FB-PS (הרכבה ל-4 מקטעים).

בהתחשב בחשיבות של אספקת חשמל אפיק אמין, ספקי הכוח עבור כל מקטע רשת יכולים להיות מיותרים. ספקי הכוח של Phoenix Contact FB-PS תומכים בטכנולוגיית איזון זרם אוטומטי. ASV מספק עומס סימטרי בין מקורות הכוח, אשר משפיע לטובה על תנאי הטמפרטורה שלהם ובסופו של דבר מוביל להגדלת חיי השירות שלהם.

מערכת אספקת החשמל H1 ממוקמת בדרך כלל בארון הבקר.

התקני ממשק

התקני צימוד נועדו לחבר קבוצה של התקני שטח לאפיק הנתונים הראשי. בהתבסס על הפונקציות שהם מבצעים, הם מחולקים לשני סוגים: מודולי הגנה על מקטעים (Segment Protectors) ומחסומי שדה (Field Barriers).

ללא קשר לסוג, התקני ממשק מגנים על הרשת מפני קצרים וזרמי יתר בקווים יוצאים. כאשר מתרחש קצר חשמלי, התקן הממשק חוסם את יציאת הממשק, מונע מהקצר להתפשט בכל המערכת ובכך מבטיח חילופי מידע בין התקני רשת אחרים. לאחר ביטול הקצר בקו, יציאת התקשורת שנחסמה בעבר מתחילה לפעול שוב.

מחסומי שדה מספקים בנוסף בידוד גלווני בין מעגלים לא בטוחים מהותית של האוטובוס הראשי לבין מעגלים בטוחים מהותית של התקני שדה מחוברים (ענפים).

מבחינה פיזית, התקני ממשק הם גם משני סוגים - בלוק ומודולרי. התקני ממשק בלוק מסוג FB-12SP עם פונקציונליות של הגנה על מקטעים מאפשרים לך להשתמש במעגלי IC בטוחים באופן מהותי לחיבור התקני שדה באזור 2, ומחסומי שדה FB-12SP ISO מאפשרים לך לחבר התקנים באזורים 1 ו-0 באמצעות IA בטוח מעצם מעגלים.

מחברי FB-12SP ו-FB-6SP מבית Phoenix Contact.

אחד היתרונות של מכשירים מודולריים הוא היכולת לשנות את קנה המידה של המערכת על ידי בחירת מספר הערוצים הנדרשים לחיבור התקני שטח. בנוסף, מכשירים מודולריים מאפשרים יצירת מבנים גמישים. בארון חלוקה אחד ניתן לשלב מודולי הגנה על מקטעים ומחסומי שדה, כלומר לחבר מכשירי שטח הממוקמים באזורי סכנת פיצוץ שונים מארון אחד. בסך הכל, ניתן להתקין עד 12 מודולי FB-2SP דו-ערוציים או מודולי מחסום FB-ISO חד-ערוציים על אפיק אחד, ובכך לחבר מארון אחד ל-24 התקני שדה באזור 2 או עד 12 חיישנים באזור 1 או 0.

התקני ממשק ניתנים להפעלה בטווח טמפרטורות רחב והם מותקנים במארזים חסיני פיצוץ Ex e, Ex d בדרגת הגנה מפני אבק ולחות של לפחות IP54, כולל קרוב ככל האפשר לאובייקט הבקרה.

התקני הגנה מפני נחשולי מתח

רשתות ברמת שדה H1 יכולות ליצור מקטעים ארוכים מאוד, וקווי תקשורת יכולים לפעול במקומות שבהם יתכנו עליות נחשול. מתחי יתר של דופק מובנים כהפרשי פוטנציאל מושרה הנגרמים על ידי פריקות ברק או קצרים בקווי כבלים סמוכים. המתח המושרה, שגודלו הוא בסדר גודל של מספר קילו-וולט, גורם לזרימת זרמי פריקה של קילו-אמפר. כל התופעות הללו מתרחשות תוך מיקרו-שניות, אך עלולות להוביל לכשל של רכיבי רשת H1. כדי להגן על ציוד מפני תופעות כאלה, יש צורך להשתמש ב-SPD. השימוש ב-SPDs במקום מסופי הזנה קונבנציונליים מבטיח פעולה אמינה ובטוחה של המערכת בתנאים קשים.

עקרון פעולתו מבוסס על שימוש במעגל מעין קצר בתחום הננו-שניות לזרימת זרמי פריקה במעגל המשתמש באלמנטים שיכולים לעמוד בזרימת זרמים בסדר גודל כזה.

ישנם מספר רב של סוגי SPD: חד ערוצי, כפול ערוצי, עם תקעים להחלפה, עם סוגים שונים של אבחון - בצורה של מצמוץ, מגע יבש. כלי אבחון חדישים מבית Phoenix Contact מאפשרים לך לנטר מגיני מתח באמצעות שירותים דיגיטליים מבוססי Ethernet. מפעל החברה ברוסיה מייצר מכשירים המוסמכים לשימוש בסביבות נפיצות, כולל מערכות Foundation Fieldbus.

מחסל אוטובוס

הטרמינטור מבצע שתי פונקציות ברשת - הוא מנתב את זרם אפיק השדה, הנובע כתוצאה מאפנון האות ומונע את השתקפות האות מקצוות הקו הראשי, ובכך מונע הופעת רעש וריצוד (פאזה ריצוד של האות הדיגיטלי). לפיכך, המחסל מאפשר לך להימנע מהופעת נתונים לא מדויקים ברשת או מאובדן נתונים לחלוטין.

לכל קטע של רשת H1 חייב להיות שני terminators בכל קצה של הקטע. ספקי הכוח והמצמדים של האוטובוסים של Phoenix Contact מצוידים בטרמינטורים הניתנים להחלפה. נוכחותם של מסיימים נוספים ברשת, למשל, עקב שגיאה, תפחית משמעותית את רמת האות בקו הממשק.

חילופי מידע בין מקטעים

חילופי מידע בין התקני שטח אינם מוגבלים למקטע אחד, אלא אפשרי בין חלקים שונים של הרשת, אותם ניתן לחבר באמצעות בקר או רשת צמח מבוססת Ethernet. במקרה זה, ניתן להשתמש בפרוטוקול Foundation Fieldbus HSE או פרוטוקול פופולרי יותר, למשל, Modbus TCP.

בעת בניית רשת HSE, משתמשים במתגים ברמה תעשייתית. הפרוטוקול מאפשר יתירות טבעת. במקרה זה, כדאי לזכור שבטופולוגיית טבעת, מתגים חייבים להשתמש באחד מפרוטוקולי היתירות (RSTP, MRP או Extended Ring Redundancy) בהתאם לגודל ולזמן ההתכנסות הנדרש של הרשת כאשר ערוצי התקשורת נשברים.

שילוב של מערכות מבוססות HSE עם מערכות צד שלישי אפשרי באמצעות טכנולוגיית OPC.

שיטות הגנת פיצוץ

כדי ליצור מערכת חסינת פיצוץ, לא מספיק להיות מונחה רק על ידי המאפיינים חסיני הפיצוץ של הציוד ובחירת מיקומו הנכון באתר. בתוך המערכת, כל מכשיר אינו פועל בפני עצמו, אלא פועל בתוך רשת אחת. ברשתות Foundation Fieldbus H1, החלפת מידע בין מכשירים הממוקמים באזורים מסוכנים שונים כרוכה לא רק בהעברת נתונים, אלא גם בהעברת אנרגיה חשמלית. ייתכן שכמות האנרגיה שהייתה מקובלת באזור אחד לא תהיה מקובלת באזור אחר. לכן, כדי להעריך את בטיחות הפיצוץ של רשתות שטח ולבחור את השיטה האופטימלית להבטחתה, נעשה שימוש בגישה שיטתית. בין השיטות הללו, שיטות להבטחת בטיחות פנימית הן הנפוצות ביותר.

בכל הנוגע לאוטובוסי שטח, ישנן כיום מספר דרכים להשיג בטיחות פנימית: שיטת מחסום IS המסורתית, קונספט FISCO וטכנולוגיית High Power Trunk Technology (HPT).

הראשון מבוסס על שימוש במחסומי IS ומיישם קונספט מוכח שנעשה בו שימוש במערכות בקרה המבוססות על אותות אנלוגיים של 4-20 mA. שיטה זו פשוטה ואמינה, אך מגבילה את אספקת החשמל למכשירי שטח באזורים מסוכנים 0 ו-1 עד 80 mA. במקרה זה, על פי תחזית אופטימית, ניתן לחבר לא יותר מ-4 מכשירי שטח לכל מקטע בצריכה של 20 mA, אך בפועל לא יותר מ-2. במקרה זה, המערכת מאבדת את כל היתרונות הקיימים ב-Foundation Fieldbus ולמעשה מוביל לטופולוגיה מנקודה לנקודה, כאשר לחבר מספר רב של התקני שטח, יש לחלק את המערכת למקטעים רבים. שיטה זו גם מגבילה באופן משמעותי את אורך הכבל הראשי והענפים.

הרעיון של FISCO פותח על ידי "המכון המטרולוגי הלאומי של גרמניה" ונכלל מאוחר יותר בתקני IEC, ולאחר מכן ב-GOST. כדי להבטיח את הבטיחות הפנימית של רשת השטח, הרעיון כולל שימוש ברכיבים העומדים בהגבלות מסוימות. מגבלות דומות מנוסחות עבור ספקי כוח במונחים של הספק מוצא, עבור התקני שדה במונחים של צריכת חשמל והשראות, עבור כבלים במונחים של התנגדות, קיבול ושראות. הגבלות כאלה נובעות מהעובדה שאלמנטים קיבוליים ואינדוקטיביים יכולים לצבור אנרגיה, שבמצב חירום, במקרה של נזק לכל אלמנט של המערכת, יכולה להשתחרר ולגרום לפריקת ניצוץ. בנוסף, הקונספט אוסר על שימוש ביתירות במערכת החשמל של האוטובוסים.

FISCO מספק זרם גדול יותר להפעלת מכשירים באזורים מסוכנים בהשוואה לשיטת מחסום השדה. 115 mA זמין כאן, שניתן להשתמש בהם כדי להפעיל 4-5 מכשירים בקטע. עם זאת, קיימות גם הגבלות על אורך הכבל הראשי והענפים.

טכנולוגיית High Power Trunk היא כיום טכנולוגיית הבטיחות הפנימית הנפוצה ביותר ברשתות Foundation Fieldbus מכיוון שאין לה את החסרונות הקיימים ברשתות מוגנות מחסומים או FISCO. בעזרת שימוש ב-HPT, ניתן להשיג את המגבלה של התקני שטח בקטע רשת.

הטכנולוגיה אינה מגבילה את הפרמטרים החשמליים של הרשת במקום בו אין צורך בכך, למשל בקו תקשורת עמוד השדרה, בו אין צורך בתחזוקה והחלפת ציוד. לחיבור התקני שדה הממוקמים באזור נפץ, נעשה שימוש בהתקני ממשק עם פונקציונליות של מחסומי שדה, המגבילים את הפרמטרים החשמליים של הרשת להפעלת החיישנים וממוקמים ישירות ליד אובייקט הבקרה. במקרה זה, נעשה שימוש בסוג ההגנה מפני פיצוץ Ex e (הגנה מוגברת) לאורך כל הקטע.

מקור: www.habr.com