Foundation Fieldbus yra skaitmeninio ryšio sistema, naudojama automatizuojant kartu su Profibus, Modbus arba HART. Ši technologija pasirodė šiek tiek vėliau nei jos konkurentai: pirmasis standarto leidimas datuojamas 1996 m. ir šiuo metu apima du informacijos mainų tarp tinklo dalyvių protokolus - H1 ir HSE (High Speed Ethernet).
Informacijos mainams jutiklio ir valdiklio lygiuose naudojamas H1 protokolas, o jo tinklas paremtas IEC 61158-2 fizinio sluoksnio standartu, leidžiančiu 31,25 kbit/s duomenų perdavimo spartą. Tokiu atveju galima tiekti maitinimą lauko įrenginiams iš duomenų magistralės. HSE tinklas yra pagrįstas didelės spartos Ethernet tinklais (100/1000 Mbit/s) ir naudojamas automatizuoto procesų valdymo sistemos tinklui kurti valdiklių ir įmonės valdymo sistemų lygmeniu.
Technologija pritaikoma kuriant automatizuotas procesų valdymo sistemas bet kokiems pramonės objektams, tačiau labiausiai paplitusi naftos ir dujų pramonės bei chemijos pramonės įmonėse.
Technologijų galimybės
Foundation Fieldbus buvo sukurta kaip alternatyva tradiciniam automatizuotų valdymo sistemų modeliui, pagrįstam analoginiais jutikliais, ir turi daug pranašumų, palyginti su tradiciniu modeliu ir skaitmeninėmis sistemomis, pagrįstomis Profibus arba HART.
Vienas iš pagrindinių privalumų yra didelis sistemų patikimumas ir atsparumas gedimams H1, kuris pasiekiamas dėl dviejų veiksnių:
- išmaniųjų prietaisų (daviklių ir pavarų) naudojimas lauko lygiu;
- galimybė tiesiogiai organizuoti informacijos mainus tarp lauko lygio įrenginių, nedalyvaujant valdikliui.
Lauko įrenginių intelektas slypi gebėjime įgyvendinti valdymo ir informacijos apdorojimo algoritmus, kurie tradiciškai yra diegiami valdiklyje. Praktiškai tai leidžia sistemai toliau veikti, net jei valdiklis sugenda. Tam reikia tinkamai sukonfigūruoti lauko įrenginius ir užtikrinti patikimą lauko magistralės maitinimo šaltinį.
Papildomi pranašumai, gaunami iš valdymo sistemos skaitmeninimo ir išmaniųjų jutiklių naudojimo, apima galimybę gauti daugiau duomenų nei matuojamas iš kiekvieno lauko įrenginio, o tai galiausiai išplečia proceso stebėjimo sritį, kuri tradicinėse analoginėse sistemose apsiriboja signalo įvesties/išvesties sistema. ..
Magistralės topologijos naudojimas H1 tinkle leidžia sumažinti kabelių linijų ilgį, montavimo darbų apimtį, o valdymo sistemose nebereikia papildomos įrangos: įvesties/išvesties modulių, maitinimo šaltinių, o pavojingose zonose – kibirkšties. apsaugines kliūtis.
H1 leidžia naudoti 4-20 mA jutiklių ryšio kabelius, kurie gali būti naudojami atnaujinant senesnes valdymo sistemas. Dėl vidinės saugos principų ši technologija aktyviai naudojama sprogioje aplinkoje. Pats standartizavimas garantuoja skirtingų gamintojų įrangos pakeičiamumą ir suderinamumą, o šliuzo įrenginių dėka galima susieti lauko įrenginių tinklą ir įmonių pramoninės valdymo sistemos tinklą, pastatytą Ethernet pagrindu.
Foundation Fieldbus H1 labiausiai panašus į Profibus PA sistemas. Abi technologijos yra pagrįstos tuo pačiu fizinio lygmens standartu, todėl šios sistemos turi vienodas duomenų perdavimo spartas, Mančesterio kodavimo naudojimą, ryšio linijos elektrinius parametrus, galimos perduodamos galios kiekį ir didžiausią leistiną kabelio ilgį tinkle. segmentas (1900 m). Taip pat abiejose sistemose galima naudoti iki 4 kartotuvų, dėl kurių segmento ilgis jau gali siekti 9,5 km. Galimos tinklo topologijos valdymo sistemoje, taip pat vidinės saugos užtikrinimo principai yra įprasti.
Sistemos komponentai
Pagrindiniai Foundation Fieldbus H1 tinklo elementai yra šie:
- decentralizuotos valdymo sistemos (DCS) valdiklis;
- lauko magistralės maitinimo šaltiniai;
- blokiniai arba moduliniai sąsajos įrenginiai;
- autobusų terminalai;
- intelektualūs lauko įrenginiai.
Sistemoje taip pat gali būti šliuzo įrenginių (susiejimo įrenginio), protokolų keitiklių, SPD ir kartotuvų.
Tinklo topologija
Svarbi sąvoka H1 tinkle yra segmento sąvoka. Tai pagrindinė ryšio linija (Trunk), su nuo jos besitęsiančiomis atšakomis (Spur), prie kurios prijungiami lauko įrenginiai. Magistralinis kabelis prasideda nuo magistralės maitinimo šaltinio ir paprastai baigiasi paskutiniame sąsajos įrenginyje. Ryšiui tarp valdiklio ir lauko įrenginių leidžiami keturi topologijos tipai: taškas į tašką, kilpa, magistralė ir medis. Kiekvienas segmentas gali būti sudarytas naudojant atskirą topologiją arba naudojant jų derinius.
Naudojant „point-to-point“ topologiją, kiekvienas lauko įrenginys yra tiesiogiai prijungtas prie valdiklio. Tokiu atveju kiekvienas prijungtas lauko įrenginys sudaro savo tinklo segmentą. Ši topologija yra nepatogi, nes ji atima iš sistemos beveik visus „Foundation Fieldbus“ privalumus. Valdiklyje yra per daug sąsajų, o norint maitinti lauko įrenginius iš duomenų magistralės, kiekviena ryšio linija turi turėti savo lauko magistralės maitinimo šaltinį. Ryšio linijų ilgis pasirodo per ilgas, o informacijos mainai tarp įrenginių vyksta tik per valdiklį, o tai neleidžia naudoti didelio H1 sistemų atsparumo gedimams principo.
Kilpos topologija reiškia nuoseklų lauko įrenginių sujungimą vienas su kitu. Čia visi lauko įrenginiai sujungiami į vieną segmentą, kas leidžia naudoti mažiau resursų. Tačiau ši topologija turi ir trūkumų – visų pirma reikia numatyti metodus, kuriuose vieno iš tarpinių jutiklių gedimas nenutrūks ryšio su kitais. Kitas trūkumas paaiškinamas tuo, kad trūksta apsaugos nuo trumpojo jungimo ryšio linijoje, kai informacijos mainai segmente bus neįmanoma.
Dvi kitos tinklo topologijos turi didžiausią patikimumą ir praktiškumą – magistralės ir medžio topologijos, kurios praktikoje buvo pasiskirstę didžiausiu būdu kuriant H1 tinklus. Šių topologijų idėja yra naudoti sąsajos įrenginius lauko įrenginiams prijungti prie pagrindinio tinklo. Sujungimo įrenginiai leidžia kiekvieną lauko įrenginį prijungti prie savo sąsajos.
Ryšio nustatymai
Kuriant H1 tinklą svarbūs klausimai yra jo fiziniai parametrai – kiek lauko įrenginių galima naudoti segmente, koks maksimalus segmento ilgis, kokio ilgio gali būti atšakos. Atsakymas į šiuos klausimus priklauso nuo lauko įrenginių maitinimo tipo ir energijos suvartojimo, o pavojingose zonose – nuo vidinės saugos užtikrinimo metodų.
Didžiausias lauko įrenginių skaičius segmente (32) gali būti pasiektas tik tuo atveju, jei jie maitinami iš vietinių šaltinių vietoje ir jei nėra vidinės saugos. Maitinant jutiklius ir pavaras iš duomenų magistralės, didžiausias įrenginių skaičius gali būti tik 12 arba mažiau, atsižvelgiant į vidinės saugos metodus.
Lauko įrenginių skaičiaus priklausomybė nuo maitinimo būdo ir vidinės saugos užtikrinimo būdai.
Tinklo segmento ilgis nustatomas pagal naudojamo kabelio tipą. Maksimalus 1900 m ilgis pasiekiamas naudojant A tipo kabelį (vytos poros su ekranu). Naudojant D tipo kabelį (nesusuktas daugiagyslis kabelis su bendru ekranu) - tik 200 m. Segmento ilgis suprantamas kaip pagrindinio kabelio ir visų nuo jo atšakų ilgių suma.
Segmento ilgio priklausomybė nuo kabelio tipo.
Filialų ilgis priklauso nuo įrenginių skaičiaus tinklo segmente. Taigi, esant įrenginių skaičiui iki 12, tai maksimaliai 120 m. Naudojant 32 įrenginius segmente, didžiausias šakų ilgis bus tik 1 m. Jungiant lauko įrenginius kilpa, kiekvienas papildomas įrenginys sumažina šakos ilgį 30 m.
Atšakų ilgio nuo pagrindinio kabelio priklausomybė nuo lauko įrenginių skaičiaus segmente.
Visi šie veiksniai tiesiogiai veikia sistemos struktūrą ir topologiją. Siekiant pagreitinti tinklo projektavimo procesą, naudojami specialūs programinės įrangos paketai, tokie kaip DesignMate iš FieldComm Group arba Fieldbus Network Planner iš Phoenix Contact. Programos leidžia apskaičiuoti fizinius ir elektrinius H1 tinklo parametrus, atsižvelgiant į visus galimus apribojimus.
Sistemos komponentų paskirtis
Valdiklis
Valdiklio užduotis yra įgyvendinti Link Active Scheduler (LAS) – pagrindinio įrenginio, kuris valdo tinklą siunčiant paslaugų pranešimus, funkcijas. LAS inicijuoja informacijos mainus tarp tinklo dalyvių su planuojamais (suplanuotais) arba neplanuotais pranešimais, diagnozuoja ir sinchronizuoja visus įrenginius.
Be to, valdiklis yra atsakingas už automatinį lauko įrenginių adresų nustatymą ir veikia kaip šliuzo įrenginys, suteikdamas Ethernet sąsają ryšiui su valdymo sistemos viršutiniu lygiu, remiantis Foundation Fieldbus HSE arba kitu ryšio protokolu. Aukščiausiame sistemos lygyje valdiklis teikia operatoriaus stebėjimo ir valdymo funkcijas, taip pat nuotolinio lauko įrenginių konfigūravimo funkcijas.
Tinkle gali būti keli aktyvių nuorodų planuokliai, garantuojantys juose įterptų funkcijų perteklių. Šiuolaikinėse sistemose LAS funkcijos gali būti įdiegtos šliuzo įrenginyje, kuris veikia kaip valdymo sistemų, sukurtų pagal kitą standartą nei Foundation Fieldbus HSE, protokolo keitiklis.
Lauko magistralės maitinimo šaltiniai
Elektros tiekimo sistema H1 tinkle atlieka pagrindinį vaidmenį, nes tam, kad būtų galima keistis duomenimis, duomenų kabelio įtampa turi būti palaikoma nuo 9 iki 32 V nuolatinės srovės. Nesvarbu, ar lauko įrenginiai maitinami iš duomenų magistralės, ar iš lauko maitinimo šaltinių, tinklui reikalingi magistralės maitinimo šaltiniai.
Todėl pagrindinė jų paskirtis – palaikyti reikiamus elektros parametrus magistralėje, taip pat maitinti prie tinklo prijungtus įrenginius. Magistralės maitinimo šaltiniai skiriasi nuo įprastų maitinimo šaltinių tuo, kad turi atitinkamą išėjimo grandinės varžą esant duomenų perdavimo dažniams. Jei H1 tinklui maitinti tiesiogiai naudosite 12 arba 24 V maitinimo šaltinius, signalas bus prarastas, o informacijos mainai magistralėje nebus įmanoma.
Pertekliniai lauko magistralės maitinimo šaltiniai FB-PS (rinkimas 4 segmentams).
Atsižvelgiant į patikimos magistralės energijos tiekimo svarbą, kiekvieno tinklo segmento maitinimo šaltiniai gali būti nereikalingi. Phoenix Contact FB-PS maitinimo šaltiniai palaiko automatinio srovės balansavimo technologiją. ASV užtikrina simetrišką apkrovą tarp maitinimo šaltinių, o tai teigiamai veikia jų temperatūros sąlygas ir galiausiai pailgina jų tarnavimo laiką.
H1 maitinimo sistema paprastai yra valdiklio spintelėje.
Sąsajos įrenginiai
Sujungimo įrenginiai skirti lauko įrenginių grupei prijungti prie pagrindinės duomenų magistralės. Pagal atliekamas funkcijas jie skirstomi į du tipus: segmentų apsaugos modulius (Segment Protectors) ir lauko barjerus (lauko barjerus).
Nepriklausomai nuo tipo, sąsajos įrenginiai apsaugo tinklą nuo trumpųjų jungimų ir viršsrovių išeinančiose linijose. Kai įvyksta trumpasis jungimas, sąsajos įrenginys blokuoja sąsajos prievadą, neleisdamas trumpajam jungimui išplisti visoje sistemoje ir taip garantuoti informacijos mainus tarp kitų tinklo įrenginių. Pašalinus trumpąjį jungimą linijoje, anksčiau užblokuotas ryšio prievadas vėl pradeda veikti.
Lauko užtvaros papildomai užtikrina galvaninę izoliaciją tarp savaime nesaugių pagrindinės magistralės grandinių ir savaime saugių prijungtų lauko įrenginių (atšakų) grandinių.
Fiziškai sąsajos įrenginiai taip pat yra dviejų tipų – blokiniai ir moduliniai. FB-12SP tipo blokinės sąsajos įrenginiai su segmentų apsaugos funkcija leidžia naudoti savaime saugias IC grandines lauko įrenginiams prijungti 2 zonoje, o FB-12SP ISO lauko barjerai leidžia prijungti įrenginius 1 ir 0 zonose naudojant savaime saugų IA grandinės.
FB-12SP ir FB-6SP jungtys iš Phoenix Contact.
Vienas iš modulinių įrenginių privalumų yra galimybė keisti sistemos mastelį, pasirenkant kanalų skaičių, reikalingą lauko įrenginiams prijungti. Be to, moduliniai įrenginiai leidžia sukurti lanksčias konstrukcijas. Vienoje skirstomojoje spintoje galima sujungti segmentinius apsaugos modulius ir lauko užtvaras, tai yra iš vienos spintos sujungti lauko įrenginius, esančius skirtingose sprogimo pavojaus zonose. Iš viso vienoje magistralėje galima sumontuoti iki 12 dviejų kanalų FB-2SP modulių arba vieno kanalo FB-ISO barjerinių modulių, tokiu būdu jungiantis iš vienos spintos prie 24 lauko įrenginių 2 zonoje arba iki 12 jutiklių 1 zonoje arba iki 0 jutiklių. XNUMX.
Sąsajos įrenginiai gali būti eksploatuojami plačiame temperatūrų diapazone ir montuojami į sprogimui atsparius korpusus Ex e, Ex d, kurių apsaugos nuo dulkių ir drėgmės laipsnis ne mažesnis kaip IP54, įskaitant kuo arčiau valdymo objekto.
Apsaugos nuo viršįtampių įtaisai
H1 lauko lygio tinklai gali sudaryti labai ilgus segmentus, o ryšio linijos gali eiti ten, kur galimi viršįtampiai. Impulsiniai viršįtampiai suprantami kaip indukuoti potencialų skirtumai, kuriuos sukelia žaibo išlydžiai arba trumpieji jungimai netoliese esančiose kabelių linijose. Indukuota įtampa, kurios dydis yra apie kelis kilovoltus, sukelia kiloamperų iškrovos srovių srautą. Visi šie reiškiniai įvyksta per mikrosekundes, tačiau gali sukelti H1 tinklo komponentų gedimą. Norint apsaugoti įrangą nuo tokių reiškinių, būtina naudoti BPD. SPD naudojimas vietoj įprastų perėjimo gnybtų garantuoja patikimą ir saugų sistemos veikimą nepalankiomis sąlygomis.
Jo veikimo principas pagrįstas kvazitrumpojo jungimo nanosekundžių diapazone panaudojimu iškrovos srovių srautui grandinėje, kurioje naudojami elementai, galintys atlaikyti tokio dydžio srovių srautą.
Yra daugybė SPD tipų: vienkanalių, dviejų kanalų, su keičiamais kištukais, su įvairių tipų diagnostika - mirksėjimo formos, sauso kontakto. Šiuolaikiniai „Phoenix Contact“ diagnostikos įrankiai leidžia stebėti viršįtampių apsaugą naudojant eterneto skaitmenines paslaugas. Bendrovės gamykloje Rusijoje gaminami įrenginiai, sertifikuoti naudoti sprogioje aplinkoje, įskaitant Foundation Fieldbus sistemas.
Autobuso terminalas
Terminatorius tinkle atlieka dvi funkcijas – šuntuoja lauko magistralės srovę, kuri atsiranda dėl signalo moduliacijos ir neleidžia signalui atsispindėti nuo pagrindinės linijos galų, taip užkertant kelią triukšmo ir virpėjimo atsiradimui (fazinis virpėjimas). skaitmeninio signalo). Taigi, terminatorius leidžia išvengti netikslių duomenų atsiradimo tinkle arba apskritai duomenų praradimo.
Kiekviename H1 tinklo segmente kiekviename segmento gale turi būti du terminalai. „Phoenix Contact“ magistralės maitinimo šaltiniuose ir jungtyse įrengti perjungiami gnybtai. Papildomų terminalų buvimas tinkle, pavyzdžiui, dėl klaidos, žymiai sumažins signalo lygį sąsajos linijoje.
Keitimasis informacija tarp segmentų
Keitimasis informacija tarp lauko įrenginių neapsiriboja vienu segmentu, bet galimas tarp skirtingų tinklo sekcijų, kurias galima prijungti per valdiklį arba Ethernet pagrindu veikiančią įmonės tinklą. Tokiu atveju galima naudoti Foundation Fieldbus HSE protokolą arba populiaresnį, pavyzdžiui, Modbus TCP.
Kuriant HSE tinklą, naudojami pramoninio lygio jungikliai. Protokolas leidžia dubliuoti skambučius. Tokiu atveju verta atsiminti, kad žiedinėje topologijoje jungikliai turi naudoti vieną iš perteklinių protokolų (RSTP, MRP arba Extended Ring Redundancy), priklausomai nuo dydžio ir reikalingo tinklo konvergencijos laiko, kai ryšio kanalai nutrūksta.
HSE pagrįstų sistemų integravimas su trečiųjų šalių sistemomis galimas naudojant OPC technologiją.
Apsaugos nuo sprogimo metodai
Norint sukurti apsaugotą nuo sprogimo sistemą, neužtenka vadovautis tik įrangos sprogimui atspariomis charakteristikomis ir tinkamos jos vietos pasirinkimu svetainėje. Sistemoje kiekvienas įrenginys neveikia atskirai, o veikia viename tinkle. Foundation Fieldbus H1 tinkluose informacijos mainai tarp skirtingose pavojingose zonose esančių įrenginių apima ne tik duomenų, bet ir elektros energijos perdavimą. Energijos kiekis, kuris buvo priimtinas vienoje zonoje, gali būti nepriimtinas kitoje. Todėl lauko tinklų sprogimo saugai įvertinti ir optimaliam jos užtikrinimo būdui parinkti naudojamas sisteminis požiūris. Tarp šių metodų plačiausiai naudojami vidinės saugos užtikrinimo metodai.
Kalbant apie lauko magistrales, šiuo metu yra keletas būdų, kaip pasiekti vidinę saugą: tradicinis IS barjerinis metodas, FISCO koncepcija ir didelės galios magistralės technologija (HPT).
Pirmasis yra pagrįstas IS barjerų naudojimu ir įgyvendina patikrintą koncepciją, kuri buvo naudojama valdymo sistemose, pagrįstose 4-20 mA analoginiais signalais. Šis metodas yra paprastas ir patikimas, tačiau riboja maitinimą lauko įrenginiams, esantiems pavojingose 0 ir 1 zonose, iki 80 mA. Tokiu atveju, remiantis optimistine prognoze, viename segmente galima prijungti ne daugiau kaip 4 lauko įrenginius, kurių suvartojimas 20 mA, bet praktiškai ne daugiau kaip 2. Tokiu atveju sistema praranda visus esamus privalumus. Foundation Fieldbus ir iš tikrųjų veda prie taško-taško topologijos, kai norint prijungti daug lauko įrenginių, sistema turi būti suskirstyta į daugybę segmentų. Šis metodas taip pat žymiai apriboja pagrindinio kabelio ir šakų ilgį.
FISCO koncepciją sukūrė „Nacionalinis Vokietijos metrologijos institutas“, vėliau ji buvo įtraukta į IEC standartus, o vėliau į GOST. Siekiant užtikrinti vidinę lauko tinklo saugą, koncepcija apima komponentų, atitinkančių tam tikrus apribojimus, naudojimą. Panašūs apribojimai suformuluoti maitinimo šaltiniams pagal išėjimo galią, lauko įrenginiams pagal energijos suvartojimą ir induktyvumą, kabeliams pagal varžą, talpą ir induktyvumą. Tokie apribojimai atsiranda dėl to, kad talpiniai ir indukciniai elementai gali kaupti energiją, kuri avariniu režimu, sugadinus kurį nors sistemos elementą, gali išsilaisvinti ir sukelti kibirkštinį išlydį. Be to, koncepcija draudžia naudoti dubliavimą magistralės maitinimo sistemoje.
FISCO užtikrina didesnę srovę įrenginiams pavojingose zonose maitinti, palyginti su lauko barjero metodu. Čia yra 115 mA, kuriuo galima maitinti 4-5 segmento įrenginius. Tačiau taip pat yra apribojimų pagrindinio kabelio ir atšakų ilgiui.
High Power Trunk technologija šiuo metu yra labiausiai paplitusi vidinės saugos technologija Foundation Fieldbus tinkluose, nes ji pašalina kliūtimis apsaugotuose arba FISCO tinkluose esančius trūkumus. Naudojant HPT galima pasiekti lauko įrenginių limitą tinklo segmente.
Technologija neriboja elektros tinklo parametrų ten, kur tai nėra būtina, pavyzdžiui, magistralinėje ryšio linijoje, kur nereikia techninės priežiūros ir įrangos keitimo. Sprogioje zonoje esantiems lauko įrenginiams prijungti naudojami lauko užtvarų funkcionalumą turintys sąsajos įrenginiai, kurie riboja jutiklių maitinimo tinklo elektrinius parametrus ir yra tiesiai prie valdymo objekto. Tokiu atveju visame segmente naudojamas apsaugos nuo sprogimo tipas Ex e (padidinta apsauga).
Šaltinis: www.habr.com