Системи за автоматизација базирани на Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus е дигитален комуникациски систем кој се користи во автоматизацијата заедно со Profibus, Modbus или HART. Технологијата се појави нешто подоцна од нејзините конкуренти: првото издание на стандардот датира од 1996 година и во моментов вклучува два протоколи за размена на информации помеѓу учесниците во мрежата - H1 и HSE (High Speed ​​​​Ethernet).

Протоколот H1 се користи за размена на информации на нивоа на сензор и контролер, а неговата мрежа се заснова на стандардот за физички слој IEC 61158-2, овозможувајќи брзина на пренос на податоци од 31,25 kbit/s. Во овој случај, можно е да се напојува теренските уреди од магистралата за податоци. Мрежата HSE се заснова на брзи Ethernet мрежи (100/1000 Mbit/s) и се користи за изградба на автоматизирана мрежа на систем за контрола на процесите на ниво на контролори и системи за управување со претпријатија.

Технологијата е применлива во изградбата на автоматизирани системи за контрола на процесите за сите индустриски капацитети, но најраспространета е во претпријатијата во нафтената и гасната индустрија и хемиската индустрија.

Технолошки способности

Foundation Fieldbus беше развиен како алтернатива на традиционалниот модел на автоматизирани контролни системи засновани на аналогни сензори и има голем број на предности и во однос на традиционалниот модел и дигиталните системи базирани на Profibus или HART.

Една од главните предности е високиот степен на доверливост и толеранција на грешки на системите Фондацијата Fieldbus H1, што се постигнува поради два фактори:

• употреба на интелигентни уреди (сензори и актуатори) на теренско ниво;
• способноста да се организира размена на информации директно помеѓу уредите на ниво на терен без учество на контролер.

Интелигенцијата на теренските уреди лежи во способноста да се имплементираат контролни и алгоритми за обработка на информации кои традиционално се имплементираат во контролорот. Во пракса, ова му овозможува на системот да продолжи да работи дури и ако контролорот не успее. Ова бара уредите на теренот да бидат соодветно конфигурирани и да се обезбеди доверливо напојување со полето напојување.

Дополнителните придобивки кои произлегуваат од дигитализацијата на контролниот систем и употребата на паметни сензори ја вклучуваат можноста за добивање повеќе податоци надвор од мерењето од секој теренски уред, што на крајот го проширува опсегот на следење на процесот кој во традиционалните аналогни системи е ограничен на системот за влез/излез на сигналот. .

Употребата на магистрална топологија во мрежата H1 ви овозможува да ја намалите должината на кабелските линии, обемот на инсталациската работа и да ја елиминирате употребата на дополнителна опрема во контролните системи: влезни/излезни модули, напојувања и во опасни области - искра заштитни бариери.

Фондацијата Fieldbus H1 овозможува користење на комуникациски кабли со сензор од 4-20 mA, кои може да се користат при надградба на постари контролни системи. Благодарение на употребата на принципите на внатрешна безбедност, технологијата активно се користи во експлозивни средини. Самата стандардизација гарантира заменливост и компатибилност на опремата од различни производители, а благодарение на уредите за порти е можно да се поврзе мрежа на теренски уреди и мрежа на индустриски систем за контрола на претпријатија изградени на етернет.

Фондацијата Fieldbus H1 е најсличен со системите Profibus PA. Двете технологии се засноваат на истиот стандард за физички слој, така што овие системи имаат исти стапки на пренос на податоци, употреба на кодирање Манчестер, електрични параметри на комуникациската линија, количината на можната пренесена моќност и максималната дозволена должина на кабелот во мрежата сегмент (1900 m). Исто така, во двата системи е можно да се користат до 4 повторувачи, поради што должината на сегментот веќе може да достигне 9,5 километри. Вообичаени се можните мрежни топологии во контролниот систем, како и принципите за обезбедување на внатрешна безбедност.

Компоненти на системот

Главните елементи на мрежата на Фондацијата Fieldbus H1 се:

• контролер на децентрализиран систем за контрола (DCS);
• теренски напојувања;
• блок или модуларен интерфејс уреди;
• автобуски терминатори;
• интелигентни теренски уреди.

Системот може да содржи и уреди за порти (Уред за поврзување), конвертори на протоколи, SPD и повторувачи.

Мрежна топологија

Важен концепт во H1 мрежата е концептот на сегмент. Тоа е главна комуникациска линија (Trunk), со гранки кои се протегаат од неа (Spur), на која се поврзани теренските уреди. Кабелот на багажникот започнува од изворот на енергија на автобусот и обично завршува на последниот интерфејс уред. Дозволени се четири типа на топологија за комуникација помеѓу контролорот и теренските уреди: точка-до-точка, јамка, магистрала и дрво. Секој сегмент може да се изгради или користејќи посебна топологија или користејќи ги нивните комбинации.

Со топологија од точка до точка, секој теренски уред е поврзан директно со контролорот. Во овој случај, секој поврзан теренски уред формира свој мрежен сегмент. Оваа топологија е незгодна затоа што го лишува системот од речиси сите предности својствени на Foundation Fieldbus. Има премногу интерфејси на контролорот и за да се напојуваат уредите на полето од податочната магистрала, секоја комуникациска линија мора да има свое напојување со теренска магистрала. Должината на комуникациските линии се покажува како премногу долга, а размената на информации помеѓу уредите се врши само преку контролорот, што не дозволува користење на принципот на висока толеранција на грешки на системите H1.

Топологијата на јамката подразбира сериско поврзување на теренските уреди едни со други. Овде, сите теренски уреди се комбинираат во еден сегмент, што овозможува користење на помалку ресурси. Сепак, оваа топологија има и недостатоци - пред сè, неопходно е да се обезбедат методи во кои неуспехот на еден од средните сензори нема да доведе до губење на комуникацијата со другите. Друг недостаток се објаснува со недостатокот на заштита од краток спој во комуникациската линија, во која размената на информации во сегментот ќе биде невозможна.

Две други мрежни топологии имаат најголема доверливост и практичност - топологијата на магистралата и дрвото, кои најдоа најголема дистрибуција во пракса при градење на H1 мрежи. Идејата зад овие топологии е да се користат уреди за интерфејс за поврзување на теренските уреди со 'рбетот. Уредите за спојување овозможуваат секој теренски уред да се поврзе со сопствен интерфејс.

Мрежни поставки

Важни прашања при изградбата на H1 мрежа се нејзините физички параметри - колку теренски уреди може да се користат во еден сегмент, која е максималната должина на сегментот, колку долги може да бидат гранките. Одговорот на овие прашања зависи од видот на напојувањето и потрошувачката на енергија на теренските уреди, а за опасните области, методите за обезбедување на внатрешна безбедност.

Максималниот број на теренски уреди во сегментот (32) може да се постигне само ако се напојуваат од локални извори на локацијата и ако не е достапна внатрешна безбедност. При напојување на сензори и актуатори од магистралата за податоци, максималниот број уреди може да биде само 12 или помалку во зависност од внатрешните безбедносни методи.

Зависност на бројот на теренски уреди од методот на напојување и методите за обезбедување на внатрешна безбедност.

Должината на мрежниот сегмент се одредува според видот на користениот кабел. Максималната должина од 1900 m се постигнува при користење на кабел од типот А (виткан пар со штит). Кога користите кабел од типот D (не извртен повеќејадрен кабел со заеднички штит) - само 200 m Должината на сегментот се подразбира како збир на должините на главниот кабел и сите гранки од него.

Зависност на должината на сегментот од типот на кабелот.

Должината на гранките зависи од бројот на уреди во мрежниот сегмент. Значи, со бројот на уреди до 12, ова е максимум 120 m При користење на 32 уреди во сегментот, максималната должина на гранките ќе биде само 1 m При поврзување на теренски уреди со јамка ја намалува должината на гранката за 30 m.

Зависност на должината на гранките од главниот кабел од бројот на теренски уреди во сегментот.

Сите овие фактори директно влијаат на структурата и топологијата на системот. За да се забрза процесот на дизајнирање на мрежата, се користат специјални софтверски пакети, како што се DesignMate од FieldComm Group или Fieldbus Network Planner од Phoenix Contact. Програмите ви дозволуваат да ги пресметате физичките и електричните параметри на мрежата H1, земајќи ги предвид сите можни ограничувања.

Цел на компонентите на системот

Контролор

Задачата на контролорот е да ги имплементира функциите на Link Active Scheduler (LAS), главниот уред кој управува со мрежата преку испраќање пораки за услуги. LAS иницира размена на информации помеѓу учесниците во мрежата со планирани (закажани) или непланирани пораки, ги дијагностицира и синхронизира сите уреди.

Дополнително, контролорот е одговорен за автоматско адресирање на теренските уреди и делува како уред за портал, обезбедувајќи етернет интерфејс за комуникација со горното ниво на контролниот систем базиран на Foundation Fieldbus HSE или друг комуникациски протокол. На највисокото ниво на системот, контролорот обезбедува функции за следење и контрола на операторот, како и функции за далечинско конфигурирање на теренските уреди.

Може да има неколку распоредувачи на активни врски во мрежата, кои гарантираат вишок на функциите вградени во нив. Во современите системи, функциите на LAS може да се имплементираат во уред за портал кој делува како конвертор на протокол за контролни системи изградени на стандард различен од Foundation Fieldbus HSE.

Fieldbus напојувања

Системот за напојување во мрежата H1 игра клучна улога, бидејќи за да биде можна размена на податоци, напонот во податочниот кабел мора да се одржува во опсег од 9 до 32 V DC. Без разлика дали теренските уреди се напојуваат од магистралата за податоци или од теренските напојувања, мрежата бара напојување со магистрала.

Затоа, нивната главна цел е одржување на потребните електрични параметри на автобусот, како и напојување на уредите поврзани на мрежата. Напојувањата на магистралата се разликуваат од конвенционалните напојувања по тоа што имаат соодветна импеданса на излезното коло на фреквенциите на пренос на податоци. Ако директно користите напојувања од 1 или 12 V за напојување на H24 мрежата, сигналот ќе се изгуби и размената на информации во автобусот нема да биде можна.

Непотребно поле за напојување FB-PS (склоп за 4 сегменти).

Со оглед на важноста на обезбедување сигурна моќност на автобусот, напојувањето за секој мрежен сегмент може да биде непотребно. Напојувањата Phoenix Contact FB-PS поддржуваат технологија за Auto Current Balancing. ASV обезбедува симетрично оптоварување помеѓу изворите на енергија, што има корисен ефект врз нивните температурни услови и на крајот доведува до зголемување на нивниот работен век.

Системот за напојување H1 обично се наоѓа во кабинетот на контролорот.

Уреди за интерфејс

Уредите за спојување се дизајнирани да поврзат група теренски уреди со главната магистрала за податоци. Врз основа на функциите што ги извршуваат, тие се поделени на два вида: модули за заштита на сегменти (Segment Protectors) и бариери на терен (Field Barriers).

Без разлика на видот, уредите за интерфејс ја штитат мрежата од кратки споеви и прекумерни струи во појдовните линии. Кога ќе се појави краток спој, уредот за интерфејс ја блокира интерфејсната порта, спречувајќи го краткиот спој да се шири низ системот и на тој начин гарантира размена на информации помеѓу другите мрежни уреди. По отстранувањето на краткиот спој на линијата, претходно блокираната комуникациска порта повторно почнува да работи.

Теренските бариери дополнително обезбедуваат галванска изолација помеѓу несуштински безбедни кола на главната магистрала и суштински безбедни кола на поврзани теренски уреди (гранки).

Физички, уредите за интерфејс се исто така од два вида - блок и модуларни. Уредите за блокирање интерфејс од типот FB-12SP со функционалност за заштита на сегментот ви овозможуваат да користите суштински безбедни IC кола за поврзување теренски уреди во зона 2, а FB-12SP ISO теренските бариери ви дозволуваат да поврзете уреди во зоните 1 и 0 користејќи суштински безбедна IA кола.

Спојници FB-12SP и FB-6SP од Phoenix Contact.

Една од предностите на модуларните уреди е можноста за скалирање на системот со избирање на бројот на канали потребни за поврзување на теренските уреди. Покрај тоа, модуларните уреди овозможуваат создавање на флексибилни структури. Во еден дистрибутивен кабинет е можно да се комбинираат модули за заштита на сегменти и бариери на теренот, односно да се поврзат теренските уреди лоцирани во различни зони на опасност од експлозија од еден кабинет. Вкупно, до 12 двоканални FB-2SP модули или едноканални FB-ISO бариерни модули може да се инсталираат на еден автобус, со што се поврзуваат од еден кабинет до 24 теренски уреди во зона 2 или до 12 сензори во зона 1 или 0.

Уредите за интерфејс може да се ракуваат во широк температурен опсег и се инсталираат во куќишта отпорни на експлозија Ex e, Ex d со степен на заштита од прав и влага од најмалку IP54, вклучително што е можно поблиску до контролниот објект.

Уреди за заштита од пренапони

Мрежите на ниво на поле H1 можат да формираат многу долги сегменти, а комуникациските линии можат да работат на места каде што се можни пренапони. Импулсните пренапони се подразбираат како индуцирани потенцијални разлики предизвикани од громски празнења или кратки споеви во блиските кабелски линии. Индуцираниот напон, чија големина е од редот на неколку киловолти, предизвикува проток на струи на празнење од килоампери. Сите овие појави се случуваат во рок од микросекунди, но може да доведат до дефект на компонентите на мрежата H1. За да се заштити опремата од такви појави, неопходно е да се користи SPD. Употребата на SPDs наместо конвенционалните терминали за повлекување гарантира сигурно и безбедно функционирање на системот во неповолни услови.

Принципот на неговото функционирање се заснова на употреба на квази-краток спој во опсегот на наносекунда за проток на струи на празнење во коло кое користи елементи кои можат да го издржат протокот на струи од таква големина.

Постојат голем број на типови на SPD: едноканални, двоканални, со заменливи приклучоци, со разни видови дијагностика - во форма на трепкач, сув контакт. Најсовремените дијагностички алатки од Phoenix Contact ви овозможуваат да ги следите заштитниците од пренапони користејќи дигитални услуги базирани на етернет. Фабриката на компанијата во Русија произведува уреди сертифицирани за употреба во експлозивни средини, вклучувајќи ги и системите Фондацијата Fieldbus.

Автобуски терминатор

Терминаторот врши две функции во мрежата - ја шунтира струјата на теренската магистрала, која произлегува како резултат на модулација на сигналот и спречува сигналот да се рефлектира од краевите на главната линија, со што се спречува појавата на бучава и треперење (фазен нервоза на дигиталниот сигнал). Така, терминаторот ви овозможува да избегнете појава на неточни податоци на мрежата или целосно губење на податоците.

Секој сегмент од мрежата H1 мора да има два терминатори на секој крај од сегментот. Напојувањата и спојките на автобусот Phoenix Contact се опремени со прекинувачки терминатори. Присуството на дополнителни терминатори во мрежата, на пример, поради грешка, значително ќе го намали нивото на сигналот во линијата на интерфејсот.

Размена на информации помеѓу сегментите

Размената на информации помеѓу теренските уреди не е ограничена на еден сегмент, туку е можна помеѓу различни делови од мрежата, кои можат да се поврзат преку контролер или мрежа за постројки базирана на Ethernet. Во овој случај, може да се користи протоколот Foundation Fieldbus HSE или попопуларен, на пример, Modbus TCP.

При изградба на HSE мрежа, се користат прекинувачи од индустриска класа. Протоколот дозволува вишок на прстен. Во овој случај, вреди да се запамети дека во топологијата на прстенот, прекинувачите мора да користат еден од протоколите за вишок (RSTP, MRP или Extended Ring Redundancy) во зависност од големината и потребното време на конвергенција на мрежата кога каналите за комуникација се прекинати.

Интеграцијата на системи засновани на HSE со системи од трети страни е можна со користење на OPC технологијата.

Методи за докажување на експлозија

За да се создаде систем отпорен на експлозија, не е доволно да се води само од карактеристиките отпорни на експлозија на опремата и изборот на нејзината правилна локација на локацијата. Во системот, секој уред не функционира самостојно, туку работи во една мрежа. Во мрежите Foundation Fieldbus H1, размената на информации помеѓу уредите лоцирани во различни опасни области вклучува не само пренос на податоци, туку и пренос на електрична енергија. Количината на енергија што била прифатлива во една зона може да не е прифатлива во друга. Затоа, за да се процени безбедноста на експлозијата на теренските мрежи и да се избере оптималниот метод за нејзино обезбедување, се користи систематски пристап. Меѓу овие методи, најшироко се користат методите за обезбедување на внатрешна безбедност.

Кога станува збор за теренски автобуси, моментално постојат неколку начини за постигнување на внатрешна безбедност: традиционалниот метод на бариера IS, концептот FISCO и Технологијата на багажникот со висока моќност (HPT).

Првата се заснова на употреба на IS бариери и имплементира докажан концепт што се користи во контролните системи базирани на аналогни сигнали од 4-20 mA. Овој метод е едноставен и сигурен, но го ограничува напојувањето на теренските уреди во опасните зони 0 и 1 до 80 mA. Во овој случај, според оптимистичката прогноза, можно е да се поврзат не повеќе од 4 теренски уреди по сегмент со потрошувачка од 20 mA, но во пракса не повеќе од 2. Во овој случај, системот ги губи сите предности што постојат во Foundation Fieldbus и всушност води кон топологија од точка до точка, кога за да се поврзат голем број теренски уреди, системот мора да се подели на многу сегменти. Овој метод, исто така, значително ја ограничува должината на главниот кабел и гранките.

Концептот FISCO беше развиен од „Националниот метролошки институт на Германија“ и подоцна беше вклучен во стандардите на IEC, а потоа и во ГОСТ. За да се обезбеди внатрешна безбедност на теренската мрежа, концептот вклучува употреба на компоненти кои исполнуваат одредени ограничувања. Слични ограничувања се формулирани за напојувањата во однос на излезната моќност, за теренските уреди во однос на потрошувачката на енергија и индуктивноста, за каблите во однос на отпорот, капацитетот и индуктивноста. Ваквите ограничувања се должат на фактот дека капацитивните и индуктивните елементи можат да акумулираат енергија, која во итен режим, во случај на оштетување на кој било елемент од системот, може да се ослободи и да предизвика искра. Дополнително, концептот забранува употреба на вишок во електроенергетскиот систем на автобусите.

FISCO обезбедува поголема струја за напојување уреди во опасни области во споредба со методот на бариера на теренот. Овде е достапен 115 mA, кој може да се користи за напојување 4-5 уреди во сегментот. Сепак, постојат и ограничувања за должината на главниот кабел и гранките.

Технологијата High Power Trunk во моментов е најчестата технологија за внатрешна безбедност во мрежите на Foundation Fieldbus бидејќи ги нема недостатоците што постојат во мрежите заштитени со бариери или FISCO. Со користење на HPT, можно е да се достигне лимитот на теренски уреди во мрежниот сегмент.

Технологијата не ги ограничува електричните параметри на мрежата онаму каде што тоа не е неопходно, на пример, на столбната комуникациска линија, каде што нема потреба од одржување и замена на опремата. За поврзување на теренски уреди лоцирани во експлозивна зона, се користат интерфејс уреди со функционалност на теренски бариери, кои ги ограничуваат електричните параметри на мрежата за напојување на сензорите и се наоѓаат директно до контролниот објект. Во овој случај, типот на заштита од експлозија Ex e (зголемена заштита) се користи низ целиот сегмент.

Извор: www.habr.com