Foundation Fieldbus 기반 자동화 시스템

Foundation Fieldbus는 Profibus, Modbus 또는 HART와 함께 자동화에 사용되는 디지털 통신 시스템입니다. 이 기술은 경쟁사보다 다소 늦게 나타났습니다. 표준의 첫 번째 버전은 1996년으로 거슬러 올라가며 현재 네트워크 참가자 간의 정보 교환을 위한 두 가지 프로토콜인 H1과 HSE(고속 이더넷)가 포함되어 있습니다.

H1 프로토콜은 센서 및 컨트롤러 수준에서 정보 교환에 사용되며 해당 네트워크는 IEC 61158-2 물리 계층 표준을 기반으로 하여 31,25kbit/s의 데이터 전송 속도를 허용합니다. 이 경우 데이터 버스에서 필드 장치에 전원을 공급할 수 있습니다. HSE 네트워크는 고속 이더넷 네트워크(100/1000 Mbit/s)를 기반으로 하며 컨트롤러 및 기업 관리 시스템 수준에서 자동화된 프로세스 제어 시스템 네트워크를 구축하는 데 사용됩니다.

이 기술은 모든 산업 시설의 자동화된 공정 제어 시스템 구축에 적용 가능하지만 석유 및 가스 산업과 화학 산업 기업에서 가장 널리 사용됩니다.

기술 역량

Foundation Fieldbus는 아날로그 센서를 기반으로 하는 자동 제어 시스템의 기존 모델에 대한 대안으로 개발되었으며 기존 모델과 Profibus 또는 HART 기반의 디지털 시스템에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다.

주요 장점 중 하나는 시스템의 높은 수준의 신뢰성과 내결함성입니다. 파운데이션 필드버스 H1은 다음 두 가지 요인으로 인해 달성됩니다.

• 현장 수준에서 지능형 장치(센서 및 액추에이터) 사용;
• 컨트롤러의 참여 없이 현장 수준 장치 간에 직접 정보 교환을 구성하는 기능.

현장 장치의 지능은 전통적으로 컨트롤러에 구현되어 있던 제어 및 정보 처리 알고리즘을 구현하는 능력에 있습니다. 실제로 이를 통해 컨트롤러에 장애가 발생하더라도 시스템이 계속 작동할 수 있습니다. 이를 위해서는 필드 장치를 적절하게 구성하고 안정적인 필드버스 전원 공급 장치를 제공해야 합니다.

제어 시스템의 디지털화와 스마트 센서의 사용으로 인한 추가 이점에는 각 현장 장치에서 측정 이상의 더 많은 데이터를 얻을 수 있는 기능이 포함되며, 궁극적으로 기존 아날로그 시스템에서 신호 입력/출력 시스템으로 제한되었던 프로세스 모니터링 범위가 확장됩니다. ...

H1 네트워크에서 버스 토폴로지를 사용하면 케이블 라인 길이, 설치 작업량을 줄이고 제어 시스템(입/출력 모듈, 전원 공급 장치 및 위험 지역)에서 추가 장비의 사용을 제거할 수 있습니다. 스파크 보호 장벽.

파운데이션 필드버스 H1을 사용하면 4~20mA 센서 통신 케이블을 사용할 수 있으며, 이는 기존 제어 시스템을 업그레이드할 때 사용할 수 있습니다. 본질안전 원리를 활용한 덕분에 이 기술은 폭발성 환경에서 적극적으로 사용됩니다. 표준화 자체는 다양한 제조업체의 장비 상호 교환성과 호환성을 보장하며 게이트웨이 장치 덕분에 이더넷을 기반으로 구축된 기업의 현장 장치 네트워크와 산업 제어 시스템 네트워크를 인터페이스할 수 있습니다.

Foundation Fieldbus H1은 Profibus PA 시스템과 가장 유사합니다. 두 기술 모두 동일한 물리 계층 표준을 기반으로 하므로 이러한 시스템은 동일한 데이터 전송 속도, 맨체스터 코딩 사용, 통신 회선의 전기 매개변수, 가능한 전송 전력량 및 네트워크에서 허용되는 최대 케이블 길이를 갖습니다. 세그먼트 (1900m). 또한 두 시스템 모두 최대 4개의 중계기를 사용할 수 있어 세그먼트 길이가 이미 9,5km에 달할 수 있습니다. 제어 시스템에서 가능한 네트워크 토폴로지와 본질 안전을 보장하는 원칙은 일반적입니다.

시스템 구성 요소

Foundation Fieldbus H1 네트워크의 주요 요소는 다음과 같습니다.

• 분산 제어 시스템(DCS) 컨트롤러;
• 필드버스 전원 공급 장치;
• 블록 또는 모듈식 인터페이스 장치;
• 버스 터미네이터;
• 지능형 현장 장치.

시스템에는 게이트웨이 장치(연결 장치), 프로토콜 변환기, SPD 및 중계기도 포함될 수 있습니다.

네트워크 토폴로지

H1 네트워크에서 중요한 개념은 세그먼트(Segment) 개념이다. 이는 주 통신 라인(트렁크)이며 분기가 연장되어(스퍼) 필드 장치가 연결됩니다. 트렁크 케이블은 버스 전원에서 시작하여 일반적으로 마지막 인터페이스 장치에서 끝납니다. 컨트롤러와 현장 장치 간의 통신에는 지점 간, 루프, 버스 및 트리의 네 가지 유형의 토폴로지가 허용됩니다. 각 세그먼트는 별도의 토폴로지를 사용하거나 해당 토폴로지를 조합하여 구축할 수 있습니다.

지점 간 토폴로지를 사용하면 각 현장 장치가 컨트롤러에 직접 연결됩니다. 이 경우 연결된 각 현장 장치는 자체 네트워크 세그먼트를 형성합니다. 이 토폴로지는 Foundation Fieldbus에 내재된 거의 모든 장점을 시스템에서 박탈하기 때문에 불편합니다. 컨트롤러에는 인터페이스가 너무 많고, 데이터 버스에서 필드 장치에 전원을 공급하려면 각 통신 라인에 자체 필드 버스 전원 공급 장치가 있어야 합니다. 통신 회선의 길이가 너무 길어지고 장치 간의 정보 교환이 컨트롤러를 통해서만 수행되므로 H1 시스템의 높은 내결함성 원칙을 사용할 수 없습니다.

루프 토폴로지는 필드 장치가 서로 직렬로 연결되는 것을 의미합니다. 여기에서는 모든 현장 장치가 하나의 세그먼트로 결합되므로 더 적은 리소스를 사용할 수 있습니다. 그러나 이 토폴로지에는 단점도 있습니다. 우선 중간 센서 중 하나의 오류로 인해 다른 센서와의 통신이 중단되지 않는 방법을 제공해야 합니다. 또 다른 단점은 통신 회선의 단락에 대한 보호 기능이 부족하여 세그먼트 내 정보 교환이 불가능하다는 것입니다.

다른 두 가지 네트워크 토폴로지는 H1 네트워크를 구축할 때 실제로 가장 큰 분포를 발견한 버스 및 트리 토폴로지라는 가장 큰 신뢰성과 실용성을 가지고 있습니다. 이러한 토폴로지의 기본 아이디어는 인터페이스 장치를 사용하여 현장 장치를 백본에 연결하는 것입니다. 커플링 장치를 사용하면 각 필드 장치를 자체 인터페이스에 연결할 수 있습니다.

네트워크 설정

H1 네트워크를 구축할 때 중요한 질문은 물리적 매개변수입니다. 즉, 세그먼트에 사용할 수 있는 현장 장치 수, 세그먼트의 최대 길이, 분기 길이 등이 있습니다. 이러한 질문에 대한 대답은 현장 장치의 전원 공급 장치 및 에너지 소비 유형과 위험 지역의 경우 본질 안전을 보장하는 방법에 따라 달라집니다.

세그먼트 내 필드 장치의 최대 수(32개)는 현장의 로컬 전원에서 전원을 공급받고 본질 안전을 사용할 수 없는 경우에만 달성할 수 있습니다. 데이터 버스에서 센서 및 액추에이터에 전원을 공급할 때 본질 안전 방법에 따라 최대 장치 수는 12개 이하일 수 있습니다.

본질 안전을 보장하기 위한 전원 공급 방법 및 방법에 대한 현장 장치 수의 의존성.

네트워크 세그먼트의 길이는 사용된 케이블 유형에 따라 결정됩니다. 유형 A 케이블(실드가 있는 연선)을 사용하면 최대 길이 1900m에 도달합니다. 케이블 유형 D(공통 실드가 있는 꼬인 다중 코어 케이블 아님)를 사용하는 경우 - 단 200m 세그먼트의 길이는 메인 케이블과 해당 케이블의 모든 분기 길이의 합으로 이해됩니다.

케이블 유형에 따른 세그먼트 길이의 의존성.

분기의 길이는 네트워크 세그먼트의 장치 수에 따라 다릅니다. 따라서 최대 12개의 장치 수로 최대 120m입니다. 세그먼트에서 32개의 장치를 사용할 때 분기의 최대 길이는 1m에 불과합니다. 필드 장치를 루프로 연결할 때 각 추가 장치는 가지 길이를 30m 줄입니다.

세그먼트의 필드 장치 수에 따른 메인 케이블의 분기 길이 의존성.

이러한 모든 요소는 시스템의 구조와 토폴로지에 직접적인 영향을 미칩니다. 네트워크 설계 프로세스의 속도를 높이기 위해 FieldComm Group의 DesignMate 또는 Phoenix Contact의 Fieldbus Network Planner와 같은 특수 소프트웨어 패키지가 사용됩니다. 이 프로그램을 사용하면 가능한 모든 제한 사항을 고려하여 H1 네트워크의 물리적 및 전기적 매개변수를 계산할 수 있습니다.

시스템 구성 요소의 목적

제어 장치

컨트롤러의 임무는 서비스 메시지를 전송하여 네트워크를 관리하는 주요 장치인 LAS(Link Active Scheduler)의 기능을 구현하는 것입니다. LAS는 계획된(예정된) 또는 예정되지 않은 메시지로 네트워크 참가자 간의 정보 교환을 시작하고 모든 장치를 진단하고 동기화합니다.

또한 컨트롤러는 필드 장치의 자동 주소 지정을 담당하고 게이트웨이 장치 역할을 하며 Foundation Fieldbus HSE 또는 기타 통신 프로토콜을 기반으로 제어 시스템의 상위 수준과 통신하기 위한 이더넷 인터페이스를 제공합니다. 시스템의 최상위 수준에서 컨트롤러는 운영자 모니터링 및 제어 기능은 물론 현장 장치의 원격 구성 기능도 제공합니다.

네트워크에는 여러 개의 Active Link Scheduler가 있을 수 있으며, 이는 여기에 포함된 기능의 중복성을 보장합니다. 최신 시스템에서 LAS 기능은 Foundation Fieldbus HSE 이외의 표준을 기반으로 구축된 제어 시스템용 프로토콜 변환기 역할을 하는 게이트웨이 장치에서 구현될 수 있습니다.

필드버스 전원 공급 장치

H1 네트워크의 전원 공급 시스템은 중요한 역할을 합니다. 데이터 교환이 가능하려면 데이터 케이블의 전압이 9~32V DC 범위에서 유지되어야 하기 때문입니다. 필드 장치가 데이터 버스 또는 필드 전원 공급 장치에 의해 전원이 공급되는지 여부에 관계없이 네트워크에는 버스 전원 공급 장치가 필요합니다.

따라서 주요 목적은 버스에서 필요한 전기 매개변수를 유지하고 네트워크에 연결된 장치에 전원을 공급하는 것입니다. 버스 전원 공급 장치는 데이터 전송 주파수에서 해당 출력 회로 임피던스를 갖는다는 점에서 기존 전원 공급 장치와 다릅니다. 1V 또는 12V 전원 공급 장치를 직접 사용하여 H24 네트워크에 전원을 공급하는 경우 신호가 손실되고 버스에서 정보 교환이 불가능합니다.

중복 fieldbus 전원 공급 장치 FB-PS(4개 세그먼트용 어셈블리).

안정적인 버스 전원을 제공하는 것이 중요하므로 각 네트워크 세그먼트에 대한 전원 공급 장치는 중복될 수 있습니다. Phoenix Contact FB-PS 전원 공급 장치는 자동 전류 밸런싱 기술을 지원합니다. ASV는 전원 사이에 대칭적인 부하를 제공하여 온도 조건에 유익한 영향을 미치고 궁극적으로 서비스 수명을 연장시킵니다.

H1 전원 공급 시스템은 일반적으로 컨트롤러 캐비닛에 있습니다.

인터페이스 장치

결합 장치는 현장 장치 그룹을 기본 데이터 버스에 연결하도록 설계되었습니다. 수행하는 기능에 따라 세그먼트 보호 모듈(Segment Protector)과 필드 장벽(Field Barriers)의 두 가지 유형으로 구분됩니다.

유형에 관계없이 인터페이스 장치는 나가는 라인의 단락 및 과전류로부터 네트워크를 보호합니다. 단락이 발생하면 인터페이스 장치는 인터페이스 포트를 차단하여 단락이 시스템 전체로 퍼지는 것을 방지하고 다른 네트워크 장치 간의 정보 교환을 보장합니다. 회선의 단락을 제거한 후 이전에 차단된 통신 포트가 다시 작동하기 시작합니다.

필드 배리어는 추가적으로 메인 버스의 비본질 안전 회로와 연결된 필드 장치(분기)의 본질 안전 회로 사이에 갈바닉 절연을 제공합니다.

물리적으로 인터페이스 장치에는 블록형과 모듈형이라는 두 가지 유형이 있습니다. 세그먼트 보호 기능이 있는 FB-12SP 유형의 블록 인터페이스 장치를 사용하면 본질 안전 IC 회로를 사용하여 Zone 2의 필드 장치를 연결할 수 있으며, FB-12SP ISO 필드 배리어를 사용하면 본질 안전 IA를 사용하여 Zone 1 및 0의 장치를 연결할 수 있습니다. 회로.

Phoenix Contact의 FB-12SP 및 FB-6SP 커플러.

모듈형 장치의 장점 중 하나는 현장 장치를 연결하는 데 필요한 채널 수를 선택하여 시스템을 확장할 수 있다는 것입니다. 또한, 모듈식 장치를 사용하면 유연한 구조를 만들 수 있습니다. 하나의 분배 캐비닛에서는 세그먼트 보호 모듈과 필드 배리어를 결합할 수 있습니다. 즉, 하나의 캐비닛에서 서로 다른 폭발 위험 구역에 위치한 현장 장치를 연결할 수 있습니다. 전체적으로 최대 12개의 듀얼 채널 FB-2SP 모듈 또는 단일 채널 FB-ISO 배리어 모듈을 하나의 버스에 설치할 수 있으므로 하나의 캐비닛에서 Zone 24의 2개 필드 장치 또는 Zone 12 또는 Zone 1의 최대 0개 센서에 연결할 수 있습니다. XNUMX.

인터페이스 장치는 넓은 온도 범위에서 작동할 수 있으며 제어 대상에 최대한 가까운 것을 포함하여 최소 IP54의 먼지 및 습기 보호 등급을 갖춘 방폭 인클로저 Ex e, Ex d에 설치됩니다.

서지 보호 장치

H1 필드 레벨 네트워크는 매우 긴 세그먼트를 형성할 수 있으며 통신 회선은 서지 서지가 가능한 장소에서 실행될 수 있습니다. 펄스 과전압은 낙뢰 방전이나 인근 케이블 라인의 단락으로 인해 유발된 전위차로 이해됩니다. 수 킬로볼트 정도의 크기를 갖는 유도 전압은 킬로암페어의 방전 전류를 흐르게 합니다. 이러한 모든 현상은 마이크로초 내에 발생하지만 H1 네트워크 구성 요소의 오류로 이어질 수 있습니다. 이러한 현상으로부터 장비를 보호하기 위해서는 SPD의 사용이 필요합니다. 기존 피드스루 단자 대신 SPD를 사용하면 불리한 조건에서도 시스템의 안정적이고 안전한 작동이 보장됩니다.

작동 원리는 이러한 크기의 전류 흐름을 견딜 수 있는 요소를 사용하는 회로에서 방전 전류 흐름을 위해 나노초 범위의 준단락 회로를 사용하는 것을 기반으로 합니다.

SPD에는 단일 채널, 이중 채널, 교체 가능한 플러그, 다양한 유형의 진단 기능(깜빡이, 건식 접점 형태) 등 다양한 유형이 있습니다. 피닉스컨택트의 최첨단 진단 도구를 사용하면 이더넷 기반 디지털 서비스를 사용하여 서지 보호기를 모니터링할 수 있습니다. 러시아에 있는 회사 공장에서는 Foundation Fieldbus 시스템을 포함하여 폭발성 환경에서 사용하도록 인증된 장치를 생산합니다.

버스 터미네이터

터미네이터는 네트워크에서 두 가지 기능을 수행합니다. 즉, 신호 변조의 결과로 발생하는 필드 버스 전류를 분류하고 신호가 메인 라인 끝에서 반사되는 것을 방지하여 노이즈 및 지터(위상 지터)가 나타나는 것을 방지합니다. 디지털 신호). 따라서 터미네이터를 사용하면 네트워크에 부정확한 데이터가 표시되거나 데이터가 완전히 손실되는 것을 방지할 수 있습니다.

H1 네트워크의 각 세그먼트에는 세그먼트의 각 끝에 두 개의 터미네이터가 있어야 합니다. Phoenix Contact 버스 전원 공급 장치 및 커플러에는 전환 가능한 터미네이터가 장착되어 있습니다. 예를 들어 오류로 인해 네트워크에 추가 터미네이터가 있으면 인터페이스 라인의 신호 레벨이 크게 감소합니다.

세그먼트 간 정보 교환

현장 장치 간의 정보 교환은 하나의 세그먼트에 국한되지 않고 컨트롤러 또는 이더넷 기반 플랜트 네트워크를 통해 연결될 수 있는 네트워크의 여러 섹션 간에 가능합니다. 이 경우 Foundation Fieldbus HSE 프로토콜이나 Modbus TCP와 같이 더 널리 사용되는 프로토콜을 사용할 수 있습니다.

HSE 네트워크를 구축할 때 산업용 등급 스위치가 사용됩니다. 프로토콜은 링 중복을 허용합니다. 이 경우 링 토폴로지에서 스위치는 통신 채널이 끊어졌을 때 크기와 필요한 네트워크 수렴 시간에 따라 이중화 프로토콜(RSTP, MRP 또는 확장 링 이중화) 중 하나를 사용해야 한다는 점을 기억할 가치가 있습니다.

OPC 기술을 사용하면 HSE 기반 시스템과 타사 시스템의 통합이 가능합니다.

방폭 방법

방폭 시스템을 구축하려면 장비의 방폭 특성과 현장에서의 올바른 위치 선택만으로는 충분하지 않습니다. 시스템 내에서 각 장치는 자체적으로 작동하지 않고 단일 네트워크 내에서 작동합니다. Foundation Fieldbus H1 네트워크에서 서로 다른 위험 지역에 위치한 장치 간의 정보 교환에는 데이터 전송뿐만 아니라 전기 에너지 전송도 포함됩니다. 한 구역에서 허용되는 에너지 양이 다른 구역에서는 허용되지 않을 수도 있습니다. 따라서 현장 네트워크의 폭발 안전성을 평가하고 이를 보장하기 위한 최적의 방법을 선택하기 위해 체계적인 접근 방식이 사용됩니다. 이들 방법 중 본질안전을 확보하기 위한 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

필드버스의 경우 현재 본질적인 안전을 달성하는 방법에는 전통적인 IS 배리어 방법, FISCO 개념 및 HPT(고전력 트렁크 기술) 등 여러 가지 방법이 있습니다.

첫 번째는 IS 장벽의 사용을 기반으로 하며 4-20mA 아날로그 신호를 기반으로 하는 제어 시스템에 사용된 검증된 개념을 구현합니다. 이 방법은 간단하고 안정적이지만 위험 구역 0 및 1의 현장 장치에 대한 전원 공급을 80mA로 제한합니다. 이 경우 낙관적인 예측에 따르면 4mA 소비로 세그먼트당 20개 이하의 필드 장치를 연결할 수 있지만 실제로는 2개 이하입니다. 이 경우 시스템은 존재하는 모든 이점을 잃습니다. Foundation Fieldbus에서는 실제로 지점 간 토폴로지로 연결되지만, 많은 수의 필드 장치를 연결하려면 시스템을 여러 세그먼트로 나누어야 합니다. 이 방법은 또한 메인 케이블과 분기의 길이를 크게 제한합니다.

FISCO 개념은 "독일 국립 계량 연구소"에 의해 개발되었으며 나중에 IEC 표준과 GOST에 포함되었습니다. 필드 네트워크의 본질적인 안전을 보장하기 위해 이 개념에는 특정 제한 사항을 충족하는 구성 요소를 사용하는 것이 포함됩니다. 출력 전력 측면에서 전원 공급 장치, 전력 소비 및 인덕턴스 측면에서 현장 장치, 저항, 정전 용량 및 인덕턴스 측면에서 케이블에 대해 유사한 제한이 공식화되었습니다. 이러한 제한은 용량성 및 유도성 요소가 에너지를 축적할 수 있기 때문에 발생하며, 비상 모드에서 시스템 요소가 손상된 경우 방출되어 스파크 방전을 일으킬 수 있습니다. 또한 이 개념은 버스 전원 시스템에서 이중화 사용을 금지합니다.

FISCO는 필드 배리어 방식에 비해 위험 지역의 장치에 전원을 공급하기 위해 더 큰 전류를 제공합니다. 여기에서는 115mA를 사용할 수 있으며 해당 세그먼트의 4~5개 장치에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 메인 케이블과 브랜치의 길이에도 제한이 있습니다.

고전력 트렁크 기술은 장벽 보호 또는 FISCO 네트워크에 존재하는 단점을 제거하기 때문에 현재 Foundation Fieldbus 네트워크에서 가장 일반적인 본질 안전 기술입니다. HPT를 사용하면 네트워크 세그먼트에서 현장 장치의 한계를 달성하는 것이 가능합니다.

이 기술은 장비의 유지 관리 및 교체가 필요 없는 백본 통신 회선과 같이 이것이 필요하지 않은 네트워크의 전기적 매개변수를 제한하지 않습니다. 폭발 위험 구역에 위치한 현장 장치를 연결하기 위해 필드 장벽 기능을 갖춘 인터페이스 장치가 사용됩니다. 이 인터페이스 장치는 센서에 전원을 공급하기 위한 네트워크의 전기 매개변수를 제한하고 제어 개체 바로 옆에 위치합니다. 이 경우 폭발 방지 유형 Ex e(향상된 보호)가 전체 세그먼트에 걸쳐 사용됩니다.

출처 : habr.com