Foundation Fieldbus is een digitaal communicatiesysteem dat samen met Profibus, Modbus of HART in de automatisering wordt gebruikt. De technologie verscheen iets later dan zijn concurrenten: de eerste editie van de standaard dateert uit 1996 en omvat momenteel twee protocollen voor informatie-uitwisseling tussen netwerkdeelnemers: H1 en HSE (High Speed Ethernet).
Het H1-protocol wordt gebruikt voor informatie-uitwisseling op sensor- en controllerniveau, en het netwerk is gebaseerd op de fysieke laagstandaard IEC 61158-2, waardoor een gegevensoverdrachtsnelheid van 31,25 kbit/s mogelijk is. In dit geval is het mogelijk om veldapparaten van stroom te voorzien via de databus. Het HSE-netwerk is gebaseerd op snelle Ethernet-netwerken (100/1000 Mbit/s) en wordt gebruikt om een geautomatiseerd procesbesturingssysteemnetwerk op te bouwen op het niveau van controllers en bedrijfsbeheersystemen.
De technologie is toepasbaar bij de constructie van geautomatiseerde procescontrolesystemen voor alle industriële faciliteiten, maar is het meest wijdverspreid bij bedrijven in de olie- en gasindustrie en de chemische industrie.
Technologische mogelijkheden
Foundation Fieldbus is ontwikkeld als alternatief voor het traditionele model van geautomatiseerde besturingssystemen op basis van analoge sensoren en heeft een aantal voordelen ten opzichte van zowel het traditionele model als digitale systemen op basis van Profibus of HART.
Een van de belangrijkste voordelen is de hoge mate van betrouwbaarheid en fouttolerantie van systemen H1, die wordt bereikt door twee factoren:
- gebruik van intelligente apparaten (sensoren en actuatoren) op veldniveau;
- de mogelijkheid om informatie-uitwisseling rechtstreeks tussen apparaten op veldniveau te organiseren zonder de deelname van een controller.
De intelligentie van veldapparatuur ligt in het vermogen om besturings- en informatieverwerkingsalgoritmen te implementeren die traditioneel in de controller worden geïmplementeerd. In de praktijk zorgt dit ervoor dat het systeem kan blijven werken, zelfs als de controller uitvalt. Dit vereist dat de veldapparaten op de juiste manier worden geconfigureerd en dat er voor een betrouwbare veldbusvoeding wordt gezorgd.
Bijkomende voordelen die voortvloeien uit de digitalisering van het besturingssysteem en het gebruik van slimme sensoren zijn onder meer de mogelijkheid om meer gegevens te verkrijgen dan meting van elk veldapparaat, waardoor uiteindelijk de reikwijdte van procesmonitoring wordt uitgebreid, die in traditionele analoge systemen beperkt is tot het signaalinvoer-/uitvoersysteem .
Door het gebruik van bustopologie in het H1-netwerk kunt u de lengte van kabellijnen en de hoeveelheid installatiewerk verminderen en het gebruik van extra apparatuur in besturingssystemen elimineren: invoer-/uitvoermodules, voedingen en in gevaarlijke gebieden - vonk beschermingsbarrières.
De H1 maakt het gebruik van 4-20 mA sensorcommunicatiekabels mogelijk, die kunnen worden gebruikt bij het upgraden van oudere besturingssystemen. Dankzij het gebruik van intrinsieke veiligheidsprincipes wordt de technologie actief toegepast in explosieve omgevingen. De standaardisatie zelf garandeert de uitwisselbaarheid en compatibiliteit van apparatuur van verschillende fabrikanten, en dankzij gateway-apparaten is het mogelijk om een netwerk van veldapparatuur en een industrieel besturingssysteemnetwerk van bedrijven gebouwd op Ethernet te koppelen.
Foundation Fieldbus H1 lijkt het meest op Profibus PA-systemen. Beide technologieën zijn gebaseerd op dezelfde fysieke laagstandaard, dus deze systemen hebben dezelfde gegevensoverdrachtsnelheden, het gebruik van Manchester-codering, elektrische parameters van de communicatielijn, de hoeveelheid mogelijk overgedragen vermogen en de maximaal toegestane kabellengte in een netwerk segment (1900 m). Bovendien is het in beide systemen mogelijk om maximaal 4 repeaters te gebruiken, waardoor de segmentlengte al 9,5 km kan bereiken. Mogelijke netwerktopologieën in het besturingssysteem, evenals principes voor het garanderen van intrinsieke veiligheid, zijn gebruikelijk.
Systeem componenten
De belangrijkste elementen van het Foundation Fieldbus H1-netwerk zijn:
- gedecentraliseerde controlesysteem (DCS) controller;
- veldbusvoedingen;
- blok- of modulaire interface-apparaten;
- busterminators;
- intelligente veldapparatuur.
Het systeem kan ook gateway-apparaten (Linking Device), protocolconverters, SPD's en repeaters bevatten.
Netwerk topologie
Een belangrijk concept in het H1-netwerk is het concept segment. Het is een hoofdcommunicatielijn (Trunk), met vertakkingen (Spur), waarop veldapparatuur is aangesloten. De trunkkabel begint bij de busvoedingsbron en eindigt meestal bij het laatste interfaceapparaat. Er zijn vier typen topologie toegestaan voor de communicatie tussen de controller en veldapparatuur: point-to-point, loop, bus en tree. Elk segment kan worden gebouwd met behulp van een afzonderlijke topologie of met behulp van hun combinaties.
Met een point-to-point topologie is elk veldapparaat rechtstreeks op de controller aangesloten. In dit geval vormt elk aangesloten veldapparaat zijn eigen netwerksegment. Deze topologie is lastig omdat het het systeem bijna alle voordelen ontneemt die inherent zijn aan Foundation Fieldbus. Er zijn te veel interfaces op de controller en om veldapparaten via de databus van stroom te voorzien, moet elke communicatielijn zijn eigen veldbusvoeding hebben. De lengte van de communicatielijnen blijkt te lang en de informatie-uitwisseling tussen apparaten vindt alleen via de controller plaats, waardoor het principe van hoge fouttolerantie van H1-systemen niet kan worden gebruikt.
De lustopologie impliceert een seriële verbinding van veldapparaten met elkaar. Hier worden alle veldapparaten gecombineerd in één segment, waardoor er minder middelen nodig zijn. Deze topologie heeft echter ook nadelen: in de eerste plaats is het noodzakelijk om methoden te bieden waarbij het falen van een van de tussenliggende sensoren niet zal leiden tot communicatieverlies met de andere. Een ander nadeel wordt verklaard door het gebrek aan bescherming tegen kortsluiting in de communicatielijn, waarbij informatie-uitwisseling in het segment onmogelijk zal zijn.
Twee andere netwerktopologieën hebben de grootste betrouwbaarheid en bruikbaarheid: bus- en boomtopologie, die in de praktijk de grootste verspreiding hebben gevonden bij het bouwen van H1-netwerken. Het idee achter deze topologieën is om interface-apparaten te gebruiken om veldapparatuur met de backbone te verbinden. Dankzij koppelapparaten kan elk veldapparaat op zijn eigen interface worden aangesloten.
Netwerk instellingen
Belangrijke vragen bij het bouwen van een H1-netwerk zijn de fysieke parameters: hoeveel veldapparaten kunnen er in een segment worden gebruikt, wat is de maximale lengte van een segment, hoe lang mogen de vertakkingen zijn. Het antwoord op deze vragen hangt af van het type stroomvoorziening en het energieverbruik van de veldapparatuur, en, voor gevaarlijke gebieden, van de methoden om de intrinsieke veiligheid te garanderen.
Het maximale aantal veldapparaten in een segment (32) kan alleen worden bereikt als ze worden gevoed door lokale bronnen ter plaatse en als intrinsieke veiligheid niet beschikbaar is. Bij het voeden van sensoren en actuatoren vanaf de databus kan het maximale aantal apparaten slechts 12 of minder bedragen, afhankelijk van de intrinsieke veiligheidsmethoden.
Afhankelijkheid van het aantal veldapparaten van de voedingsmethode en methoden om de intrinsieke veiligheid te garanderen.
De lengte van het netwerksegment wordt bepaald door het type kabel dat wordt gebruikt. De maximale lengte van 1900 m wordt bereikt bij gebruik van kabel type A (twisted pair met afscherming). Bij gebruik van kabeltype D (geen gedraaide meeraderige kabel met een gemeenschappelijke afscherming) - slechts 200 m. De lengte van een segment wordt begrepen als de som van de lengtes van de hoofdkabel en alle aftakkingen ervan.
Afhankelijkheid van segmentlengte van kabeltype.
De lengte van de vertakkingen is afhankelijk van het aantal apparaten in het netwerksegment. Bij een aantal apparaten tot 12 is dit dus maximaal 120 m. Bij gebruik van 32 apparaten in een segment zal de maximale lengte van de aftakkingen slechts 1 m zijn. Bij het aansluiten van veldapparatuur met een lus mag elk extra apparaat vermindert de lengte van de tak met 30 m.
Afhankelijkheid van de lengte van de aftakkingen van de hoofdkabel van het aantal veldapparaten in het segment.
Al deze factoren hebben rechtstreeks invloed op de structuur en topologie van het systeem. Om het netwerkontwerpproces te versnellen, worden speciale softwarepakketten gebruikt, zoals DesignMate van de FieldComm Group of Fieldbus Network Planner van Phoenix Contact. Met de programma's kunt u de fysieke en elektrische parameters van het H1-netwerk berekenen, rekening houdend met alle mogelijke beperkingen.
Doel van systeemcomponenten
controleur
De taak van de controller is het implementeren van de functies van de Link Active Scheduler (LAS), het hoofdapparaat dat het netwerk beheert door serviceberichten te verzenden. LAS initieert informatie-uitwisseling tussen netwerkdeelnemers met geplande (geplande) of ongeplande berichten, diagnosticeert en synchroniseert alle apparaten.
Bovendien is de controller verantwoordelijk voor de automatische adressering van veldapparatuur en fungeert hij als gateway-apparaat, waarbij hij een Ethernet-interface biedt voor communicatie met het bovenste niveau van het besturingssysteem op basis van Foundation Fieldbus HSE of een ander communicatieprotocol. Op het hoogste niveau van het systeem biedt de controller bewakings- en besturingsfuncties voor de operator, evenals functies voor het op afstand configureren van veldapparatuur.
Er kunnen meerdere Active Link Schedulers in het netwerk aanwezig zijn, waardoor de redundantie van de daarin ingebedde functies wordt gegarandeerd. In moderne systemen kunnen LAS-functies worden geïmplementeerd in een gateway-apparaat dat fungeert als protocolconverter voor besturingssystemen die zijn gebouwd op een andere standaard dan Foundation Fieldbus HSE.
Veldbus-voedingen
Het voedingssysteem in het H1-netwerk speelt een sleutelrol, want om de gegevensuitwisseling mogelijk te maken, moet de spanning in de datakabel binnen het bereik van 9 tot 32 V DC worden gehouden. Of veldapparaten nu worden gevoed door de databus of door veldvoedingen, het netwerk heeft busvoedingen nodig.
Daarom is hun hoofddoel het handhaven van de vereiste elektrische parameters op de bus en het voeden van de apparaten die op het netwerk zijn aangesloten. Busvoedingen verschillen van conventionele voedingen doordat ze een overeenkomstige uitgangscircuitimpedantie hebben bij datatransmissiefrequenties. Als u rechtstreeks 1 of 12 V-voedingen gebruikt om het H24-netwerk van stroom te voorzien, gaat het signaal verloren en is informatie-uitwisseling op de bus niet mogelijk.
Redundante veldbusvoedingen FB-PS (samenstel voor 4 segmenten).
Gezien het belang van het leveren van betrouwbare busstroom kunnen de voedingen voor elk netwerksegment redundant zijn. Phoenix Contact FB-PS-voedingen ondersteunen Auto Current Balancing-technologie. ASV zorgt voor een symmetrische belasting tussen stroombronnen, wat een gunstig effect heeft op hun temperatuuromstandigheden en uiteindelijk leidt tot een verlenging van hun levensduur.
Het H1-voedingssysteem bevindt zich doorgaans in de controllerkast.
Interface-apparaten
Koppelapparaten zijn ontworpen om een groep veldapparaten op de hoofddatabus aan te sluiten. Op basis van de functies die ze vervullen, zijn ze onderverdeeld in twee typen: segmentbeschermingsmodules (Segment Protectors) en veldbarrières (Field Barriers).
Ongeacht het type beschermen interface-apparaten het netwerk tegen kortsluiting en overstroom in uitgaande lijnen. Wanneer er kortsluiting optreedt, blokkeert het interface-apparaat de interfacepoort, waardoor wordt voorkomen dat de kortsluiting zich door het systeem verspreidt en zo de informatie-uitwisseling tussen andere netwerkapparaten wordt gegarandeerd. Nadat de kortsluiting op de lijn is verholpen, begint de eerder geblokkeerde communicatiepoort weer te werken.
Veldbarrières zorgen bovendien voor galvanische isolatie tussen niet-intrinsiek veilige circuits van de hoofdbus en intrinsiek veilige circuits van aangesloten veldapparaten (aftakkingen).
Fysiek zijn interface-apparaten ook van twee typen: blok en modulair. Met blokinterfaceapparaten van het type FB-12SP met segmentbeschermingsfunctionaliteit kunt u intrinsiek veilige IC-circuits gebruiken om veldapparatuur in Zone 2 aan te sluiten, en met FB-12SP ISO-veldbarrières kunt u apparaten in Zone 1 en 0 aansluiten met behulp van intrinsiek veilige IA circuits.
FB-12SP- en FB-6SP-koppelingen van Phoenix Contact.
Een van de voordelen van modulaire apparaten is de mogelijkheid om het systeem te schalen door het aantal kanalen te selecteren dat nodig is om veldapparatuur aan te sluiten. Bovendien maken modulaire apparaten het creëren van flexibele structuren mogelijk. In één verdeelkast is het mogelijk om segmentbeschermingsmodules en veldbarrières te combineren, dat wil zeggen om veldapparatuur die zich in verschillende explosiegevaarlijke zones bevindt, vanuit één kast aan te sluiten. In totaal kunnen er maximaal 12 tweekanaals FB-2SP-modules of eenkanaals FB-ISO-barrièremodules op één bus worden geïnstalleerd, waardoor vanuit één kast verbinding kan worden gemaakt met 24 veldapparaten in Zone 2 of maximaal 12 sensoren in Zone 1 of 0.
Interface-apparaten kunnen in een breed temperatuurbereik worden gebruikt en worden geïnstalleerd in explosieveilige behuizingen Ex e, Ex d met een stof- en vochtbeschermingsgraad van minimaal IP54, ook zo dicht mogelijk bij het besturingsobject.
Apparaten voor overspanningsbeveiliging
H1-netwerken op veldniveau kunnen zeer lange segmenten vormen en communicatielijnen kunnen lopen op plaatsen waar overspanningen mogelijk zijn. Onder pulsoverspanningen worden geïnduceerde potentiaalverschillen verstaan die worden veroorzaakt door bliksemontladingen of kortsluitingen in nabijgelegen kabellijnen. De geïnduceerde spanning, waarvan de grootte in de orde van enkele kilovolt ligt, veroorzaakt de stroom van ontlaadstromen van kiloampère. Al deze verschijnselen treden op binnen microseconden, maar kunnen leiden tot uitval van H1-netwerkcomponenten. Om apparatuur tegen dergelijke verschijnselen te beschermen, is het noodzakelijk om een SPD te gebruiken. Het gebruik van SPD's in plaats van conventionele doorvoerterminals garandeert een betrouwbare en veilige werking van het systeem onder ongunstige omstandigheden.
Het werkingsprincipe is gebaseerd op het gebruik van een quasi-kortsluiting in het bereik van nanoseconden voor de stroom van ontlaadstromen in een circuit dat elementen gebruikt die de stroom van stromen van een dergelijke omvang kunnen weerstaan.
Er zijn een groot aantal soorten SPD's: eenkanaals, dubbelkanaals, met vervangbare stekkers, met verschillende soorten diagnostiek - in de vorm van een knipperlicht, droog contact. Met de modernste diagnosetools van Phoenix Contact kunt u overspanningsbeveiligingen bewaken via op ethernet gebaseerde digitale diensten. De fabriek van het bedrijf in Rusland produceert apparaten die zijn gecertificeerd voor gebruik in explosieve omgevingen, waaronder Foundation Fieldbus-systemen.
Bus-terminator
De terminator vervult twee functies in het netwerk: hij shunt de veldbusstroom, die ontstaat als gevolg van signaalmodulatie, en voorkomt dat het signaal wordt gereflecteerd door de uiteinden van de hoofdlijn, waardoor ruis en jitter (fasejitter) wordt voorkomen. van het digitale signaal). Met de terminator kunt u dus voorkomen dat er onnauwkeurige gegevens op het netwerk verschijnen of dat gegevens verloren gaan.
Elk segment van het H1-netwerk moet aan elk uiteinde van het segment twee terminators hebben. De Phoenix Contact-busvoedingen en -koppelaars zijn voorzien van schakelbare terminators. De aanwezigheid van extra terminators in het netwerk, bijvoorbeeld als gevolg van een fout, zal het signaalniveau in de interfacelijn aanzienlijk verminderen.
Informatie-uitwisseling tussen segmenten
Informatie-uitwisseling tussen veldapparatuur is niet beperkt tot één segment, maar is mogelijk tussen verschillende delen van het netwerk, die kunnen worden aangesloten via een controller of een op Ethernet gebaseerd bedrijfsnetwerk. In dit geval kan het Foundation Fieldbus HSE-protocol of een populairder protocol, bijvoorbeeld Modbus TCP, worden gebruikt.
Bij het bouwen van een HSE-netwerk worden industriële switches gebruikt. Het protocol maakt ringredundantie mogelijk. In dit geval is het de moeite waard eraan te denken dat switches in een ringtopologie een van de redundantieprotocollen (RSTP, MRP of Extended Ring Redundancy) moeten gebruiken, afhankelijk van de grootte en de vereiste netwerkconvergentietijd wanneer communicatiekanalen worden verbroken.
Integratie van HSE-gebaseerde systemen met systemen van derden is mogelijk met behulp van OPC-technologie.
Explosieveilige methoden
Om een explosieveilig systeem te creëren, is het niet voldoende om u alleen te laten leiden door de explosieveilige eigenschappen van de apparatuur en de keuze van de juiste locatie op de locatie. Binnen het systeem functioneert elk apparaat niet op zichzelf, maar opereert het binnen één netwerk. In Foundation Fieldbus H1-netwerken omvat de informatie-uitwisseling tussen apparaten die zich in verschillende gevaarlijke gebieden bevinden niet alleen de overdracht van gegevens, maar ook de overdracht van elektrische energie. De hoeveelheid energie die in de ene zone acceptabel was, kan in een andere zone niet acceptabel zijn. Om de explosieveiligheid van veldnetwerken te beoordelen en de optimale methode te selecteren om deze te garanderen, wordt daarom een systematische aanpak gebruikt. Van deze methoden worden de methoden ter waarborging van de intrinsieke veiligheid het meest gebruikt.
Als het om veldbussen gaat, zijn er momenteel verschillende manieren om intrinsieke veiligheid te bereiken: de traditionele IS-barrièremethode, het FISCO-concept en High Power Trunk Technology (HPT).
De eerste is gebaseerd op het gebruik van IS-barrières en implementeert een beproefd concept dat is gebruikt in besturingssystemen op basis van 4-20 mA analoge signalen. Deze methode is eenvoudig en betrouwbaar, maar beperkt de stroomtoevoer naar veldapparatuur in gevaarlijke zones 0 en 1 tot 80 mA. In dit geval is het volgens een optimistische voorspelling mogelijk om niet meer dan 4 veldapparaten per segment aan te sluiten met een verbruik van 20 mA, maar in de praktijk niet meer dan 2. In dit geval verliest het systeem alle bestaande voordelen in Foundation Fieldbus en feitelijk leidt tot een point-to-point topologie, terwijl om een groot aantal veldapparaten aan te sluiten het systeem in veel segmenten moet worden verdeeld. Deze methode beperkt ook aanzienlijk de lengte van de hoofdkabel en aftakkingen.
Het FISCO-concept is ontwikkeld door het “Nationaal Metrologisch Instituut van Duitsland” en werd later opgenomen in de IEC-normen en vervolgens in GOST. Om de intrinsieke veiligheid van het veldnetwerk te garanderen, omvat het concept het gebruik van componenten die aan bepaalde beperkingen voldoen. Soortgelijke beperkingen worden geformuleerd voor voedingen in termen van uitgangsvermogen, voor veldapparatuur in termen van stroomverbruik en inductie, voor kabels in termen van weerstand, capaciteit en inductie. Dergelijke beperkingen zijn te wijten aan het feit dat capacitieve en inductieve elementen energie kunnen accumuleren, die in de noodmodus, in geval van schade aan een element van het systeem, kan vrijkomen en een vonkontlading kan veroorzaken. Bovendien verbiedt het concept het gebruik van redundantie in het busvoedingssysteem.
FISCO biedt een grotere stroom voor het voeden van apparaten in gevaarlijke gebieden vergeleken met de veldbarrièremethode. Hier is 115 mA beschikbaar, waarmee 4-5 apparaten in het segment van stroom kunnen worden voorzien. Er zijn echter ook beperkingen aan de lengte van de hoofdkabel en aftakkingen.
High Power Trunk-technologie is momenteel de meest voorkomende intrinsieke veiligheidstechnologie in Foundation Fieldbus-netwerken, omdat deze niet de nadelen heeft die bestaan in door barrières beschermde of FISCO-netwerken. Met het gebruik van HPT is het mogelijk om de limiet van veldapparatuur in een netwerksegment te bereiken.
De technologie beperkt de elektrische parameters van het netwerk niet waar dit niet nodig is, bijvoorbeeld op een backbone-communicatielijn, waar geen onderhoud en vervanging van apparatuur nodig is. Voor het aansluiten van veldapparaten die zich in een explosieve zone bevinden, worden interface-apparaten met de functionaliteit van veldbarrières gebruikt, die de elektrische parameters van het netwerk voor het voeden van de sensoren beperken en zich direct naast het besturingsobject bevinden. In dit geval wordt in het gehele segment gebruik gemaakt van het type explosiebeveiliging Ex e (verhoogde beveiliging).
Bron: www.habr.com