Foundation Fieldbus er et digitalt kommunikasjonssystem som brukes i automasjon sammen med Profibus, Modbus eller HART. Teknologien dukket opp noe senere enn konkurrentene: den første utgaven av standarden dateres tilbake til 1996 og inkluderer for tiden to protokoller for informasjonsutveksling mellom nettverksdeltakere - H1 og HSE (High Speed Ethernet).
H1-protokollen brukes for informasjonsutveksling på sensor- og kontrollernivå, og nettverket er basert på IEC 61158-2 fysisk lagstandard, som tillater en dataoverføringshastighet på 31,25 kbit/s. I dette tilfellet er det mulig å levere strøm til feltenheter fra databussen. HMS-nettverket er basert på høyhastighets Ethernet-nettverk (100/1000 Mbit/s) og brukes til å bygge et automatisert prosesskontrollsystemnettverk på nivå med kontrollere og bedriftsstyringssystemer.
Teknologien er anvendelig i konstruksjon av automatiserte prosesskontrollsystemer for alle industrianlegg, men den er mest utbredt i bedrifter innen olje- og gassindustrien og kjemisk industri.
Teknologiske evner
Foundation Fieldbus ble utviklet som et alternativ til den tradisjonelle modellen med automatiserte styringssystemer basert på analoge sensorer og har en rekke fordeler fremfor både den tradisjonelle modellen og digitale systemer basert på Profibus eller HART.
En av hovedfordelene er den høye graden av pålitelighet og feiltoleranse til systemene H1, som oppnås på grunn av to faktorer:
- bruk av intelligente enheter (sensorer og aktuatorer) på feltnivå;
- muligheten til å organisere informasjonsutveksling direkte mellom enheter på feltnivå uten deltakelse fra en kontroller.
Intelligensen til feltenheter ligger i evnen til å implementere kontroll- og informasjonsbehandlingsalgoritmer som tradisjonelt er implementert i kontrolleren. I praksis gjør dette at systemet kan fortsette å fungere selv om kontrolleren svikter. Dette krever at feltenhetene er riktig konfigurert og at det leveres en pålitelig feltbussstrømforsyning.
Ytterligere fordeler avledet fra digitalisering av kontrollsystemet og bruk av smarte sensorer inkluderer muligheten til å skaffe mer data utover måling fra hver feltenhet, noe som til slutt utvider omfanget av prosessovervåking som i tradisjonelle analoge systemer er begrenset til signalinn-/utgangssystemet. ...
Bruken av busstopologi i H1-nettverket gjør det mulig å redusere lengden på kabellinjer, mengden installasjonsarbeid og eliminere bruken av tilleggsutstyr i kontrollsystemer: inngangs-/utgangsmoduler, strømforsyninger og i farlige områder - gnistbeskyttelsesbarrierer.
H1 tillater bruk av 4-20 mA sensorkommunikasjonskabler, som kan brukes ved oppgradering av eldre kontrollsystemer. Takket være bruken av egensikkerhetsprinsipper, brukes teknologien aktivt i eksplosive miljøer. Standardisering i seg selv garanterer utskiftbarhet og kompatibilitet av utstyr fra forskjellige produsenter, og takket være gateway-enheter er det mulig å koble til et nettverk av feltenheter og et industrielt kontrollsystemnettverk av bedrifter bygget på Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 ligner mest på Profibus PA-systemer. Begge teknologiene er basert på samme fysiske lagstandard, så disse systemene har samme dataoverføringshastigheter, bruk av Manchester-koding, elektriske parametere for kommunikasjonslinjen, mengden mulig overført kraft og maksimal tillatt kabellengde i et nettverk segment (1900 m). I begge systemene er det også mulig å bruke opptil 4 repeatere, på grunn av hvilke segmentlengden allerede kan nå 9,5 km. Mulige nettverkstopologier i kontrollsystemet, samt prinsipper for å ivareta egensikkerhet, er vanlig.
Systemkomponenter
Hovedelementene i Foundation Fieldbus H1-nettverket er:
- desentralisert kontrollsystem (DCS) kontrolleren;
- feltbuss strømforsyninger;
- blokk eller modulære grensesnittenheter;
- buss terminatorer;
- intelligente feltenheter.
Systemet kan også inneholde gateway-enheter (Linking Device), protokollomformere, SPD-er og repeatere.
Nettverkstopologi
Et viktig konsept i H1-nettverket er konseptet segment. Det er en hovedkommunikasjonslinje (Trunk), med grener som strekker seg fra den (Spur), som feltenheter er koblet til. Trunkkabelen starter ved bussstrømkilden og slutter vanligvis ved den siste grensesnittenheten. Fire typer topologi er tillatt for kommunikasjon mellom kontrolleren og feltenheter: punkt-til-punkt, sløyfe, buss og tre. Hvert segment kan bygges enten ved å bruke en separat topologi eller ved å bruke deres kombinasjoner.
Med en punkt-til-punkt-topologi er hver feltenhet koblet direkte til kontrolleren. I dette tilfellet danner hver tilkoblet feltenhet sitt eget nettverkssegment. Denne topologien er upraktisk fordi den fratar systemet nesten alle fordelene som ligger i Foundation Fieldbus. Det er for mange grensesnitt på kontrolleren, og for å drive feltenheter fra databussen må hver kommunikasjonslinje ha sin egen feltbussstrømforsyning. Lengden på kommunikasjonslinjene viser seg å være for lang, og informasjonsutveksling mellom enheter utføres bare gjennom kontrolleren, som ikke tillater bruk av prinsippet om høy feiltoleranse for H1-systemer.
Sløyfetopologien innebærer en seriell tilkobling av feltenheter til hverandre. Her er alle feltenheter kombinert til ett segment, noe som tillater bruk av færre ressurser. Imidlertid har denne topologien også ulemper - først og fremst er det nødvendig å tilveiebringe metoder der svikt i en av de mellomliggende sensorene ikke vil føre til tap av kommunikasjon med de andre. En annen ulempe er forklart av mangelen på beskyttelse mot kortslutning i kommunikasjonslinjen, der informasjonsutveksling i segmentet vil være umulig.
To andre nettverkstopologier har størst pålitelighet og praktisk - buss- og tretopologi, som har funnet størst distribusjon i praksis ved bygging av H1-nettverk. Ideen bak disse topologiene er å bruke grensesnittenheter for å koble feltenheter til ryggraden. Koblingsenheter gjør at hver feltenhet kan kobles til sitt eget grensesnitt.
Nettverksinnstillinger
Viktige spørsmål når du bygger et H1-nettverk er dets fysiske parametere - hvor mange feltenheter kan brukes i et segment, hva er maksimal lengde på et segment, hvor lange kan grenene være. Svaret på disse spørsmålene avhenger av typen strømforsyning og energiforbruk til feltenhetene, og for farlige områder, metodene for å sikre egensikkerhet.
Maksimalt antall feltenheter i et segment (32) kan bare oppnås hvis de får strøm fra lokale kilder på stedet og hvis egensikkerhet ikke er tilgjengelig. Ved strømforsyning av sensorer og aktuatorer fra databussen kan det maksimale antallet enheter bare være 12 eller mindre, avhengig av egensikkerhetsmetoder.
Avhengighet av antall feltenheter av strømforsyningsmetoden og metoder for å sikre egensikkerhet.
Lengden på nettverkssegmentet bestemmes av typen kabel som brukes. Maksimal lengde på 1900 m oppnås ved bruk av type A-kabel (tvinnet par med skjerm). Ved bruk av kabeltype D (ikke vridd flerkjernekabel med felles skjerming) - kun 200 m. Lengden på et segment forstås som summen av lengdene på hovedkabelen og alle forgreninger fra den.
Avhengighet av segmentlengde på kabeltype.
Lengden på grenene avhenger av antall enheter i nettverkssegmentet. Så, med antall enheter opp til 12, er dette maksimalt 120 m. Når du bruker 32 enheter i et segment, vil maksimal lengde på grenene være bare 1 m. Når du kobler til feltenheter med en sløyfe, vil hver ekstra enhet reduserer grenens lengde med 30 m.
Avhengighet av lengden på grenene fra hovedkabelen på antall feltenheter i segmentet.
Alle disse faktorene påvirker direkte strukturen og topologien til systemet. For å fremskynde nettverksdesignprosessen brukes spesielle programvarepakker, som DesignMate fra FieldComm Group eller Fieldbus Network Planner fra Phoenix Contact. Programmene lar deg beregne de fysiske og elektriske parametrene til H1-nettverket, under hensyntagen til alle mulige begrensninger.
Formål med systemkomponenter
Kontroller
Kontrollerens oppgave er å implementere funksjonene til Link Active Scheduler (LAS), hovedenheten som administrerer nettverket ved å sende tjenestemeldinger. LAS initierer informasjonsutveksling mellom nettverksdeltakere med planlagte (planlagte) eller ikke-planlagte meldinger, diagnostiserer og synkroniserer alle enheter.
I tillegg er kontrolleren ansvarlig for automatisk adressering av feltenheter og fungerer som en gatewayenhet, og gir et Ethernet-grensesnitt for kommunikasjon med det øvre nivået av kontrollsystemet basert på Foundation Fieldbus HSE eller annen kommunikasjonsprotokoll. På øverste nivå av systemet gir kontrolleren operatørovervåking og kontrollfunksjoner, samt funksjoner for fjernkonfigurering av feltenheter.
Det kan være flere Active Link-planleggere i nettverket, som garanterer redundansen til funksjonene som er innebygd i dem. I moderne systemer kan LAS-funksjoner implementeres i en gateway-enhet som fungerer som en protokollomformer for kontrollsystemer bygget på en annen standard enn Foundation Fieldbus HSE.
Feltbuss strømforsyninger
Strømforsyningssystemet i H1-nettverket spiller en nøkkelrolle, for for at datautvekslingen skal være mulig, må spenningen i datakabelen holdes i området 9 til 32 V DC. Enten feltenheter drives av databussen eller av feltstrømforsyninger, krever nettverket bussstrømforsyninger.
Derfor er hovedformålet deres å opprettholde de nødvendige elektriske parameterne på bussen, samt drive enhetene som er koblet til nettverket. Bussstrømforsyninger skiller seg fra konvensjonelle strømforsyninger ved at de har en tilsvarende utgangskretsimpedans ved dataoverføringsfrekvenser. Hvis du direkte bruker 1 eller 12 V strømforsyninger for å drive H24-nettverket, vil signalet gå tapt og informasjonsutveksling på bussen vil ikke være mulig.
Redundante feltbuss strømforsyninger FB-PS (montering for 4 segmenter).
Gitt viktigheten av å gi pålitelig bussstrøm, kan strømforsyningene for hvert nettverkssegment være overflødige. Phoenix Contact FB-PS strømforsyninger støtter Auto Current Balancing-teknologi. ASV gir en symmetrisk belastning mellom strømkildene, noe som har en gunstig effekt på deres temperaturforhold og til slutt fører til en økning i levetiden.
H1-strømforsyningssystemet er vanligvis plassert i kontrollerskapet.
Grensesnittenheter
Koblingsenheter er designet for å koble en gruppe feltenheter til hoveddatabussen. Basert på funksjonene de utfører, er de delt inn i to typer: segmentbeskyttelsesmoduler (Segment Protectors) og feltbarrierer (Field Barriers).
Uavhengig av type beskytter grensesnittenheter nettverket mot kortslutninger og overstrømmer i utgående linjer. Når det oppstår en kortslutning, blokkerer grensesnittenheten grensesnittporten, og hindrer kortslutningen i å spre seg gjennom systemet og garanterer dermed informasjonsutveksling mellom andre nettverksenheter. Etter å ha eliminert kortslutningen på linjen, begynner den tidligere blokkerte kommunikasjonsporten å fungere igjen.
Feltbarrierer gir i tillegg galvanisk isolasjon mellom ikke-egensikre kretser på hovedbussen og egensikre kretser til tilkoblede feltenheter (grener).
Fysisk er grensesnittenheter også av to typer - blokk og modulær. Blokkgrensesnittenheter av typen FB-12SP med segmentbeskyttelsesfunksjonalitet lar deg bruke egensikre IC-kretser for å koble til feltenheter i sone 2, og FB-12SP ISO-feltbarrierer lar deg koble til enheter i sone 1 og 0 ved å bruke egensikker IA kretser.
FB-12SP og FB-6SP koblinger fra Phoenix Contact.
En av fordelene med modulære enheter er muligheten til å skalere systemet ved å velge antall kanaler som kreves for å koble til feltenheter. I tillegg tillater modulære enheter å lage fleksible strukturer. I ett distribusjonsskap er det mulig å kombinere segmentbeskyttelsesmoduler og feltbarrierer, det vil si å koble sammen feltenheter plassert i forskjellige eksplosjonsfaresoner fra ett skap. Totalt kan opptil 12 tokanals FB-2SP-moduler eller enkanals FB-ISO-barrieremoduler installeres på én buss, og dermed kobles fra ett skap til 24 feltenheter i sone 2 eller opptil 12 sensorer i sone 1 eller 0.
Grensesnittenheter kan betjenes i et bredt temperaturområde og installeres i eksplosjonssikre kapslinger Ex e, Ex d med en grad av støv- og fuktbeskyttelse på minimum IP54, inkludert så nært kontrollobjektet som mulig.
Overspenningsvernenheter
H1-nettverk på feltnivå kan danne svært lange segmenter, og kommunikasjonslinjer kan gå på steder hvor overspenningsstøt er mulig. Pulsoverspenninger forstås som induserte potensialforskjeller forårsaket av lynutladninger eller kortslutninger i nærliggende kabellinjer. Den induserte spenningen, hvis størrelse er i størrelsesorden flere kilovolt, forårsaker strømmen av utladningsstrømmer på kiloampere. Alle disse fenomenene oppstår i løpet av mikrosekunder, men kan føre til feil på H1-nettverkskomponenter. For å beskytte utstyr mot slike fenomener er det nødvendig å bruke en SPD. Bruken av SPD-er i stedet for konvensjonelle gjennomføringsterminaler garanterer pålitelig og sikker drift av systemet under ugunstige forhold.
Prinsippet for driften er basert på bruken av en kvasi-kortslutning i nanosekundområdet for flyten av utladningsstrømmer i en krets som bruker elementer som tåler strømningen av en slik størrelse.
Det er et stort antall typer SPD-er: enkeltkanal, dobbeltkanal, med utskiftbare plugger, med ulike typer diagnostikk - i form av en blink, tørr kontakt. State-of-the-art diagnoseverktøy fra Phoenix Contact lar deg overvåke overspenningsvern ved hjelp av Ethernet-baserte digitale tjenester. Selskapets anlegg i Russland produserer enheter sertifisert for bruk i eksplosive miljøer, inkludert Foundation Fieldbus-systemer.
Bussterminator
Terminatoren utfører to funksjoner i nettverket - den shunter feltbussstrømmen, som oppstår som et resultat av signalmodulasjon og forhindrer at signalet reflekteres fra endene av hovedlinjen, og forhindrer dermed utseendet av støy og jitter (fasejitter) av det digitale signalet). Dermed lar terminatoren deg unngå utseendet til unøyaktige data på nettverket eller tap av data helt.
Hvert segment av H1-nettverket må ha to terminatorer i hver ende av segmentet. Phoenix Contact buss-strømforsyninger og -koblinger er utstyrt med koblingsbare terminatorer. Tilstedeværelsen av ekstra terminatorer i nettverket, for eksempel på grunn av en feil, vil redusere signalnivået i grensesnittlinjen betydelig.
Informasjonsutveksling mellom segmenter
Informasjonsutveksling mellom feltenheter er ikke begrenset til ett segment, men er mulig mellom ulike deler av nettverket, som kan kobles sammen via en kontroller eller et Ethernet-basert anleggsnettverk. I dette tilfellet kan Foundation Fieldbus HSE-protokollen eller en mer populær, for eksempel Modbus TCP, brukes.
Ved bygging av et HMS-nettverk brukes brytere av industrikvalitet. Protokollen tillater ringredundans. I dette tilfellet er det verdt å huske at i en ringtopologi må brytere bruke en av redundansprotokollene (RSTP, MRP eller Extended Ring Redundancy) avhengig av størrelsen og nødvendig nettverkskonvergenstid når kommunikasjonskanalene brytes.
Integrasjon av HMS-baserte systemer med tredjepartssystemer er mulig ved bruk av OPC-teknologi.
Eksplosjonssikre metoder
For å lage et eksplosjonssikkert system er det ikke nok å bare ledes av de eksplosjonssikre egenskapene til utstyret og valget av riktig plassering på stedet. Innenfor systemet fungerer ikke hver enhet alene, men opererer innenfor et enkelt nettverk. I Foundation Fieldbus H1-nettverk involverer informasjonsutveksling mellom enheter som befinner seg i forskjellige farlige områder, ikke bare overføring av data, men også overføring av elektrisk energi. Mengden energi som var akseptabel i en sone er kanskje ikke akseptabel i en annen. Derfor, for å vurdere eksplosjonssikkerheten til feltnettverk og velge den optimale metoden for å sikre den, brukes en systematisk tilnærming. Blant disse metodene er de mest brukte metodene for å sikre egensikkerhet.
Når det gjelder feltbusser, er det for tiden flere måter å oppnå egensikkerhet på: den tradisjonelle IS-barrieremetoden, FISCO-konseptet og High Power Trunk Technology (HPT).
Den første er basert på bruk av IS-barrierer og implementerer et velprøvd konsept som har blitt brukt i kontrollsystemer basert på 4-20 mA analoge signaler. Denne metoden er enkel og pålitelig, men begrenser strømforsyningen til feltenheter i farlige soner 0 og 1 til 80 mA. I dette tilfellet, ifølge en optimistisk prognose, er det mulig å koble til ikke mer enn 4 feltenheter per segment med et forbruk på 20 mA, men i praksis ikke mer enn 2. I dette tilfellet mister systemet alle fordelene som finnes i Foundation Fieldbus og faktisk fører til en punkt-til-punkt-topologi, når man skal koble til et stort antall feltenheter, må systemet deles inn i mange segmenter. Denne metoden begrenser også lengden på hovedkabelen og grenene betydelig.
FISCO-konseptet ble utviklet av "National Metrological Institute of Germany" og ble senere inkludert i IEC-standardene, og deretter i GOST. For å sikre egensikkerheten til feltnettverket innebærer konseptet bruk av komponenter som oppfyller visse begrensninger. Lignende begrensninger er formulert for strømforsyninger når det gjelder utgangseffekt, for feltenheter når det gjelder strømforbruk og induktans, for kabler når det gjelder motstand, kapasitans og induktans. Slike begrensninger skyldes det faktum at kapasitive og induktive elementer kan akkumulere energi, som i nødmodus, i tilfelle skade på et hvilket som helst element i systemet, kan frigjøres og forårsake en gnistutladning. I tillegg forbyr konseptet bruk av redundans i busskraftsystemet.
FISCO gir større strøm for å drive enheter i farlige områder sammenlignet med feltbarrieremetoden. 115 mA er tilgjengelig her, som kan brukes til å drive 4-5 enheter i segmentet. Det er imidlertid også begrensninger på lengden på hovedkabelen og grenene.
High Power Trunk-teknologi er for tiden den vanligste egensikkerhetsteknologien i Foundation Fieldbus-nettverk fordi den ikke har de ulempene som finnes i barrierebeskyttede eller FISCO-nettverk. Med bruk av HPT er det mulig å oppnå grensen for feltenheter i et nettverkssegment.
Teknologien begrenser ikke de elektriske parameterne til nettverket der dette ikke er nødvendig, for eksempel på en ryggradskommunikasjonslinje, der det ikke er behov for vedlikehold og utskifting av utstyr. For å koble til feltenheter plassert i en eksplosiv sone, brukes grensesnittenheter med funksjonalitet til feltbarrierer, som begrenser de elektriske parameterne til nettverket for å drive sensorene og er plassert rett ved siden av kontrollobjektet. I dette tilfellet brukes typen eksplosjonsbeskyttelse Ex e (økt beskyttelse) gjennom hele segmentet.
Kilde: www.habr.com