Foundation Fieldbus に基づく自動化システム

Foundation Fieldbus は、Profibus、Modbus、または HART とともにオートメーションで使用されるデジタル通信システムです。 このテクノロジーは競合他社よりも若干遅れて登場しました。規格の初版は 1996 年に遡り、現在、ネットワーク参加者間の情報交換のための 1 つのプロトコル、HXNUMX と HSE (高速イーサネット) が含まれています。

H1 プロトコルはセンサー レベルとコントローラー レベルでの情報交換に使用され、そのネットワークは IEC 61158-2 物理層規格に基づいており、31,25 kbit/s のデータ転送速度が可能です。 この場合、データバスからフィールド機器に電源を供給することが可能です。 HSE ネットワークは、高速イーサネット ネットワーク (100/1000 Mbit/s) に基づいており、コントローラおよびエンタープライズ管理システムのレベルで自動プロセス制御システム ネットワークを構築するために使用されます。

この技術はあらゆる産業施設の自動プロセス制御システムの構築に適用できますが、最も広く普及しているのは石油・ガス産業および化学産業の企業です。

技術力

Foundation フィールドバスは、アナログ センサーに基づく自動制御システムの従来のモデルの代替として開発され、従来のモデルと Profibus または HART に基づくデジタル システムの両方に比べて多くの利点があります。

主な利点の XNUMX つは、システムの信頼性と耐障害性が高いことです。 財団フィールドバス H1 は、次の XNUMX つの要因によって達成されます。

• 現場レベルでのインテリジェントデバイス（センサーとアクチュエーター）の使用。
• コントローラーの参加なしに、フィールドレベルのデバイス間で直接情報交換を組織する機能。

フィールド デバイスのインテリジェンスは、従来はコントローラーに実装されていた制御および情報処理アルゴリズムを実装できる能力にあります。 実際には、これにより、コントローラーに障害が発生した場合でもシステムは動作を継続できます。 これには、フィールド デバイスが適切に構成され、信頼性の高いフィールドバス電源が提供されることが必要です。

制御システムのデジタル化とスマートセンサーの使用から得られる追加の利点には、各フィールドデバイスから測定を超えてより多くのデータを取得できる機能が含まれ、最終的には従来のアナログシステムでは信号入出力システムに限定されていたプロセス監視の範囲が拡大します。 . .

H1 ネットワークでバス トポロジを使用すると、ケーブル線の長さ、設置作業量が削減され、入出力モジュール、電源、危険エリアなどの制御システムでの追加機器の使用が不要になります。火花保護バリア。

財団フィールドバス H1 では、4 ～ 20 mA のセンサー通信ケーブルを使用でき、古い制御システムをアップグレードするときに使用できます。 本質安全原則を採用しているため、この技術は爆発性環境で積極的に使用されています。 標準化自体は、さまざまなメーカーの機器の互換性と互換性を保証し、ゲートウェイ デバイスのおかげで、フィールド デバイスのネットワークとイーサネット上に構築された企業の産業用制御システム ネットワークを接続することができます。

Foundation Fieldbus H1 は Profibus PA システムに最も似ています。 どちらのテクノロジーも同じ物理層標準に基づいているため、これらのシステムのデータ転送速度、マンチェスター符号化の使用、通信回線の電気パラメータ、可能な送信電力量、およびネットワーク内の最大許容ケーブル長は同じです。セグメント（1900m）。 また、どちらのシステムでも最大 4 つのリピータを使用することができ、そのためセグメントの長さはすでに 9,5 km に達する可能性があります。 制御システムで可能なネットワーク トポロジと本質安全性を確保するための原則は共通しています。

システムコンポーネント

Foundation Fieldbus H1 ネットワークの主な要素は次のとおりです。

• 分散制御システム (DCS) コントローラー。
• フィールドバス電源。
• ブロックまたはモジュラーインターフェースデバイス。
• バスターミネータ。
• インテリジェントなフィールドデバイス。

このシステムには、ゲートウェイ デバイス (リンク デバイス)、プロトコル コンバータ、SPD、およびリピータが含まれる場合もあります。

ネットワークトポロジー

H1 ネットワークの重要な概念はセグメントの概念です。 これは主要な通信回線 (トランク) であり、そこから分岐 (スプール) が伸びており、そこにフィールド デバイスが接続されます。 トランク ケーブルはバス電源から始まり、通常は最後のインターフェイス デバイスで終わります。 コントローラとフィールド デバイス間の通信には、ポイントツーポイント、ループ、バス、ツリーの XNUMX 種類のトポロジが許可されています。 各セグメントは、個別のトポロジを使用するか、それらの組み合わせを使用して構築できます。

ポイントツーポイント トポロジでは、各フィールド デバイスがコントローラに直接接続されます。 この場合、接続された各フィールド デバイスは独自のネットワーク セグメントを形成します。 このトポロジは、システムから Foundation フィールドバスに固有の利点をほぼすべて奪うため、不便です。 コントローラ上のインターフェイスが多すぎるため、データ バスからフィールド デバイスに電力を供給するには、各通信ラインに独自のフィールド バス電源が必要です。 通信回線の長さが長すぎることが判明し、デバイス間の情報交換はコントローラを介してのみ実行されるため、H1 システムの高耐障害性の原理を使用できません。

ループ トポロジは、フィールド デバイスの相互のシリアル接続を意味します。 ここでは、すべてのフィールド デバイスが XNUMX つのセグメントに結合されているため、使用するリソースが少なくなります。 ただし、このトポロジには欠点もあります。まず、中間センサーの XNUMX つが故障しても他のセンサーとの通信が失われない方法を提供する必要があります。 もう XNUMX つの欠点は、通信回線の短絡に対する保護が欠如していることによって説明され、セグメント内での情報交換が不可能になります。

他の 1 つのネットワーク トポロジは、信頼性と実用性が最も優れています。バス トポロジとツリー トポロジは、HXNUMX ネットワークを構築する際に実際に最大の分散を実現しています。 これらのトポロジの背後にある考え方は、インターフェイス デバイスを使用してフィールド デバイスをバックボーンに接続することです。 結合デバイスを使用すると、各フィールド デバイスを独自のインターフェイスに接続できます。

ネットワーク設定

H1 ネットワークを構築する際の重要な問題は、その物理パラメータです。つまり、セグメント内で使用できるフィールド デバイスの数、セグメントの最大長はどれくらいか、ブランチの長さはどれくらいであるかなどです。 これらの質問に対する答えは、電源の種類とフィールド デバイスのエネルギー消費量、および危険エリアの場合は本質安全性を確保する方法によって異なります。

セグメント内のフィールド デバイスの最大数 (32) は、現場のローカル電源から電力が供給され、本質安全が利用できない場合にのみ達成できます。 データ バスからセンサーとアクチュエーターに電力を供給する場合、本質安全方式に応じて、デバイスの最大数は 12 台以下になる場合があります。

フィールドデバイスの数と電源供給方法および本質安全性を確保する方法への依存性。

ネットワーク セグメントの長さは、使用するケーブルの種類によって決まります。 タイプAケーブル（シールド付ツイストペア）使用時は最長1900mを実現。 ケーブル タイプ D (共通シールドを備えたツイスト多芯ケーブルではない) を使用する場合 - わずか 200 m セグメントの長さは、メイン ケーブルとそこからのすべての分岐の長さの合計として理解されます。

セグメントの長さはケーブルの種類に依存します。

ブランチの長さは、ネットワーク セグメント内のデバイスの数によって異なります。 したがって、デバイス数が 12 までの場合、これは最大 120 m になります。セグメント内で 32 個のデバイスを使用する場合、分岐の最大長はわずか 1 m になります。フィールドデバイスをループで接続する場合、追加のデバイスはそれぞれ枝の長さを30m短縮します。

メインケーブルからの分岐の長さは、セグメント内のフィールドデバイスの数に依存します。

これらすべての要因は、システムの構造とトポロジーに直接影響します。 ネットワーク設計プロセスを高速化するために、FieldComm Group の DesignMate や Phoenix Contact の Fieldbus Network Planner などの特別なソフトウェア パッケージが使用されます。 このプログラムを使用すると、考えられるすべての制限を考慮して、H1 ネットワークの物理的および電気的パラメーターを計算できます。

システムコンポーネントの目的

コントローラー

コントローラーのタスクは、サービス メッセージを送信してネットワークを管理するメイン デバイスであるリンク アクティブ スケジューラー (LAS) の機能を実装することです。 LAS は、計画済み (スケジュール済み) またはスケジュール外のメッセージを使用してネットワーク参加者間の情報交換を開始し、すべてのデバイスを診断して同期します。

さらに、コントローラはフィールド デバイスの自動アドレス指定を担当し、ゲートウェイ デバイスとして機能し、Foundation Fieldbus HSE またはその他の通信プロトコルに基づいて制御システムの上位レベルと通信するためのイーサネット インターフェイスを提供します。 システムのトップレベルでは、コントローラはオペレータの監視および制御機能、およびフィールドデバイスのリモート構成機能を提供します。

ネットワーク内には複数の Active Link Scheduler が存在し、それらに組み込まれた機能の冗長性が保証されている場合があります。 最新のシステムでは、LAS 機能は、Foundation Fieldbus HSE 以外の規格に基づいて構築された制御システムのプロトコル コンバータとして機能するゲートウェイ デバイスに実装できます。

フィールドバス電源

データ交換を可能にするためには、データ ケーブルの電圧が 1 ～ 9 V DC の範囲に維持される必要があるため、H32 ネットワークの電源システムは重要な役割を果たします。 フィールド デバイスにデータ バスまたはフィールド電源のいずれによって電力が供給されるかに関係なく、ネットワークにはバス電源が必要です。

したがって、その主な目的は、バス上で必要な電気パラメータを維持し、ネットワークに接続されているデバイスに電力を供給することです。 バス電源は、データ伝送周波数で対応する出力回路インピーダンスを有するという点で従来の電源とは異なります。 1 または 12 V 電源を直接使用して H24 ネットワークに電力を供給すると、信号が失われ、バス上での情報交換ができなくなります。

冗長フィールドバス電源 FB-PS (4 セグメント用のアセンブリ)。

信頼性の高いバス電源を提供することが重要であるため、各ネットワーク セグメントの電源を冗長化することができます。 Phoenix Contact FB-PS 電源は、自動電流バランス技術をサポートしています。 ASV は電源間に対称的な負荷を提供します。これは電源の温度条件に有益な効果をもたらし、最終的には耐用年数の延長につながります。

H1 電源システムは通常、コントローラー キャビネット内にあります。

インターフェースデバイス

結合デバイスは、フィールド デバイスのグループをメイン データ バスに接続するように設計されています。 実行する機能に基づいて、セグメント保護モジュール (セグメント プロテクター) とフィールド バリア (フィールド バリア) の XNUMX つのタイプに分類されます。

インターフェイス デバイスは、タイプに関係なく、発信回線の短絡や過電流からネットワークを保護します。 短絡が発生すると、インターフェイス デバイスがインターフェイス ポートをブロックして、システム全体に短絡が広がるのを防ぎ、他のネットワーク デバイス間の情報交換を保証します。 回線上の短絡が解消されると、以前にブロックされていた通信ポートが再び動作し始めます。

さらに、フィールド バリアは、メイン バスの非本質安全回路と、接続されたフィールド デバイス (分岐) の本質安全回路との間のガルバニック絶縁を提供します。

物理的には、インターフェイス デバイスにもブロックとモジュラーの 12 つのタイプがあります。 セグメント保護機能を備えた FB-2SP タイプのブロック インターフェイス デバイスを使用すると、本質安全 IC 回路を使用してゾーン 12 のフィールド デバイスを接続でき、FB-1SP ISO フィールド バリアを使用すると、本質安全 IA を使用してゾーン 0 および XNUMX のデバイスを接続できます。回路。

フエニックスコンタクトのFB-12SPおよびFB-6SPカプラ。

モジュール式デバイスの利点の 12 つは、フィールド デバイスの接続に必要なチャネルの数を選択することでシステムを拡張できることです。 さらに、モジュール式デバイスにより、柔軟な構造を作成できます。 2 つの配電キャビネットでセグメント保護モジュールとフィールド バリアを組み合わせることができます。つまり、24 つのキャビネットから異なる爆発危険ゾーンにあるフィールド デバイスを接続できます。 合計で最大 2 個のデュアルチャネル FB-12SP モジュールまたはシングルチャネル FB-ISO バリア モジュールを 1 つのバスに取り付けることができるため、0 つのキャビネットからゾーン XNUMX の XNUMX 台のフィールド デバイスまたはゾーン XNUMX の最大 XNUMX 個のセンサーに接続できます。 XNUMX.

インターフェースデバイスは広い温度範囲で動作でき、制御対象のできるだけ近くを含め、少なくとも IP54 の防塵・防湿等級を備えた防爆エンクロージャ Ex e、Ex d に設置されます。

サージ保護装置

H1 フィールド レベル ネットワークは非常に長いセグメントを形成することがあり、通信回線はサージが発生する可能性がある場所で使用される可能性があります。 パルス過電圧は、近くのケーブル線の雷放電または短絡によって引き起こされる誘導電位差として理解されます。 誘導電圧の大きさは数キロボルト程度で、キロアンペアの放電電流が流れます。 これらの現象はすべてマイクロ秒以内に発生しますが、H1 ネットワーク コンポーネントの障害につながる可能性があります。 このような現象から機器を守るためにはSPDを使用する必要があります。 従来のフィードスルー端子の代わりに SPD を使用することで、悪条件下でもシステムの信頼性と安全な動作が保証されます。

その動作原理は、そのような大きさの電流の流れに耐えることができる素子を使用する回路における放電電流の流れに対して、ナノ秒範囲の準短絡回路を使用することに基づいています。

SPDには、シングルチャンネル、ダブルチャンネル、交換可能なプラグ付き、ブリンカー、ドライコンタクトなどのさまざまな種類の診断機能を備えた多数のタイプがあります。 フエニックス・コンタクトの最先端の診断ツールを使用すると、イーサネットベースのデジタルサービスを使用してサージプロテクターを監視できます。 ロシアにある同社の工場は、財団フィールドバス システムなど、爆発性環境での使用が認定された機器を製造しています。

バスターミネータ

ターミネータはネットワーク内で XNUMX つの機能を実行します。信号変調の結果として発生するフィールド バス電流を分路し、幹線の端からの信号の反射を防ぎ、ノイズやジッター (位相ジッター) の発生を防ぎます。デジタル信号の）。 したがって、ターミネータを使用すると、ネットワーク上に不正確なデータが表示されたり、データが完全に失われたりすることを回避できます。

H1 ネットワークの各セグメントには、セグメントの両端に XNUMX つのターミネータが必要です。 フエニックス・コンタクトのバス電源とカプラには、切り替え可能なターミネータが装備されています。 エラーなどによりネットワーク内に余分なターミネータが存在すると、インターフェイス ラインの信号レベルが大幅に低下します。

セグメント間の情報交換

フィールドデバイス間の情報交換は XNUMX つのセグメントに限定されず、コントローラまたはイーサネットベースの企業ネットワークを介して接続できるネットワークの異なるセクション間でも可能です。 この場合、Foundation Fieldbus HSE プロトコル、またはより一般的なプロトコル (Modbus TCP など) を使用できます。

HSE ネットワークを構築する場合は、産業グレードのスイッチが使用されます。 このプロトコルではリングの冗長性が可能です。 この場合、リング トポロジでは、サイズと通信チャネルが切断されたときに必要なネットワーク コンバージェンス時間に応じて、スイッチが冗長プロトコル (RSTP、MRP、または拡張リング冗長) のいずれかを使用する必要があることを覚えておく価値があります。

OPC テクノロジーを使用すると、HSE ベースのシステムとサードパーティ システムの統合が可能になります。

防爆方法

防爆システムを構築するには、機器の防爆特性と現場での正しい位置の選択だけを考慮するだけでは十分ではありません。 システム内では、各デバイスは単独で機能するのではなく、単一のネットワーク内で動作します。 Foundation Fieldbus H1 ネットワークでは、異なる危険エリアにあるデバイス間の情報交換には、データの転送だけでなく、電気エネルギーの転送も含まれます。 あるゾーンでは許容できるエネルギー量でも、別のゾーンでは許容できない場合があります。 したがって、フィールドネットワークの爆発安全性を評価し、それを確保するための最適な方法を選択するには、体系的なアプローチが使用されます。 これらの方法の中で、本質安全性を確保する方法が最も広く使用されています。

フィールドバスに関しては、現在、本質安全性を実現する方法がいくつかあります。それは、従来の IS バリア方式、FISCO コンセプト、およびハイパワー トランク テクノロジー (HPT) です。

4 つ目は IS バリアの使用に基づいており、20 ～ 0 mA のアナログ信号に基づく制御システムで使用されている実証済みのコンセプトを実装しています。 この方法はシンプルで信頼性が高くなりますが、危険ゾーン 1 および 80 のフィールド デバイスへの電源供給が 4 mA に制限されます。 この場合、楽観的な予測によれば、20 mA の消費でセグメントあたり 2 台までのフィールド デバイスを接続できますが、実際には XNUMX 台までです。この場合、システムは存在するすべての利点を失います。 Foundation フィールドバスでは、実際にはポイントツーポイント トポロジが形成されますが、多数のフィールド デバイスを接続する場合、システムを多くのセグメントに分割する必要があります。 この方法では、幹線ケーブルと分岐の長さも大幅に制限されます。

FISCO の概念は「ドイツ国立計量研究所」によって開発され、後に IEC 規格に組み込まれ、さらに GOST にも組み込まれました。 フィールド ネットワークの本質的な安全性を確保するために、この概念には特定の制限を満たすコンポーネントの使用が含まれます。 同様の制限が、電源に関しては出力電力に関して、フィールドデバイスに関しては電力消費とインダクタンスに関して、ケーブルに関しては抵抗、容量およびインダクタンスに関して定式化されます。 このような制限は、容量性要素と誘導性要素がエネルギーを蓄積する可能性があり、システムのいずれかの要素が損傷した場合に緊急モードでエネルギーが解放され、火花放電を引き起こす可能性があるという事実によるものです。 さらに、この概念ではバスパワーシステムの冗長性の使用を禁止しています。

FISCO は、フィールドバリア方式と比較して、危険エリア内のデバイスに電力を供給するために、より大きな電流を供給します。 ここでは 115 mA が利用可能で、セグメント内の 4 ～ 5 台のデバイスに電力を供給するために使用できます。 ただし、幹線ケーブルや分岐ケーブルの長さにも制限があります。

ハイパワー トランク テクノロジーは、バリア保護されたネットワークや FISCO ネットワークに存在する欠点がないため、現在財団フィールドバス ネットワークで最も一般的な本質安全技術です。 HPT を使用すると、ネットワーク セグメント内のフィールド デバイスの制限を達成することができます。

この技術は、機器のメンテナンスや交換の必要がないバックボーン通信回線など、ネットワークの電気的パラメータが必要ない場合には制限しません。 爆発ゾーンにあるフィールドデバイスを接続するには、フィールドバリアの機能を備えたインターフェースデバイスが使用されます。これは、センサーに電力を供給するためのネットワークの電気パラメータを制限し、制御オブジェクトのすぐ隣に配置されます。 この場合、防爆 Ex e (保護強化) のタイプがセグメント全体で使用されます。

出所： habr.com