Foundation Fieldbus to cyfrowy system komunikacji stosowany w automatyce wraz z Profibus, Modbus czy HART. Technologia pojawiła się nieco później niż jej konkurenci: pierwsza edycja standardu pochodzi z 1996 roku i obecnie obejmuje dwa protokoły wymiany informacji między uczestnikami sieci - H1 i HSE (High Speed Ethernet).
Do wymiany informacji na poziomie czujnika i sterownika wykorzystywany jest protokół H1, a jego sieć opiera się na standardzie warstwy fizycznej IEC 61158-2, pozwalającym na przesyłanie danych z szybkością 31,25 kbit/s. W takim przypadku możliwe jest zasilanie urządzeń obiektowych z magistrali danych. Sieć HSE oparta jest na szybkich sieciach Ethernet (100/1000 Mbit/s) i służy do budowy sieci systemów zautomatyzowanego sterowania procesami na poziomie sterowników i systemów zarządzania przedsiębiorstwem.
Technologia ma zastosowanie przy budowie zautomatyzowanych systemów sterowania procesami dla wszelkich obiektów przemysłowych, jednak najbardziej rozpowszechniona jest w przedsiębiorstwach przemysłu naftowo-gazowego oraz przemysłu chemicznego.
Możliwości technologiczne
Foundation Fieldbus została opracowana jako alternatywa dla tradycyjnego modelu zautomatyzowanych systemów sterowania opartych na czujnikach analogowych i posiada szereg zalet zarówno w stosunku do modelu tradycyjnego, jak i systemów cyfrowych opartych na Profibusie czy HART.
Jedną z głównych zalet jest wysoki stopień niezawodności i odporności na awarie systemów H1, który osiąga się dzięki dwóm czynnikom:
- wykorzystanie inteligentnych urządzeń (czujników i aktuatorów) na poziomie terenowym;
- możliwość zorganizowania wymiany informacji bezpośrednio pomiędzy urządzeniami terenowymi bez udziału kontrolera.
Inteligencja urządzeń polowych polega na możliwości implementacji algorytmów sterowania i przetwarzania informacji, które tradycyjnie implementowane są w sterowniku. W praktyce pozwala to na kontynuację pracy systemu nawet w przypadku awarii sterownika. Wymaga to odpowiedniej konfiguracji urządzeń obiektowych i zapewnienia niezawodnego zasilania magistrali polowej.
Dodatkowe korzyści wynikające z cyfryzacji układu sterowania i zastosowania inteligentnych czujników obejmują możliwość uzyskania większej ilości danych poza pomiarem z każdego urządzenia terenowego, co docelowo poszerza zakres monitorowania procesu, który w tradycyjnych układach analogowych ogranicza się do układu wejścia/wyjścia sygnału . .
Zastosowanie topologii magistrali w sieci H1 pozwala na zmniejszenie długości linii kablowych, ilości prac instalacyjnych oraz wyeliminowanie konieczności stosowania dodatkowego wyposażenia w układach sterowania: modułów wejść/wyjść, zasilaczy oraz w strefach zagrożonych wybuchem - bariery przeciwiskrowe.
H1 pozwala na zastosowanie przewodów komunikacyjnych czujnika 4-20 mA, które można wykorzystać podczas modernizacji starszych systemów sterowania. Dzięki zastosowaniu zasad iskrobezpieczeństwa technologia jest aktywnie wykorzystywana w środowiskach zagrożonych wybuchem. Standaryzacja sama w sobie gwarantuje wymienność i kompatybilność sprzętu różnych producentów, a dzięki urządzeniom bramkowym możliwe jest połączenie sieci urządzeń obiektowych z siecią przemysłowych systemów sterowania przedsiębiorstw zbudowanych w oparciu o Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 jest najbardziej podobna do systemów Profibus PA. Obie technologie bazują na tym samym standardzie warstwy fizycznej, dzięki czemu systemy te charakteryzują się takimi samymi szybkościami przesyłu danych, wykorzystaniem kodowania Manchester, parametrami elektrycznymi linii komunikacyjnej, ilością możliwej przesyłanej mocy oraz maksymalną dopuszczalną długością kabla w sieci. odcinek (1900 m). Ponadto w obu systemach możliwe jest zastosowanie do 4 wzmacniaków, dzięki czemu długość segmentu może sięgać już 9,5 km. Możliwe topologie sieci w systemie sterowania, a także zasady zapewnienia iskrobezpieczeństwa są wspólne.
Komponenty systemu
Głównymi elementami sieci Foundation Fieldbus H1 są:
- sterownik zdecentralizowanego systemu sterowania (DCS);
- zasilacze magistrali obiektowej;
- blokowe lub modułowe urządzenia interfejsowe;
- terminatory magistrali;
- inteligentne urządzenia terenowe.
System może zawierać także urządzenia bramkowe (Linking Device), konwertery protokołów, SPD i wzmacniaki.
Topologia sieci
Ważnym pojęciem w sieci H1 jest pojęcie segmentu. Jest to główna linia komunikacyjna (Trunk), z odgałęzieniami (Spur), do której podłączone są urządzenia obiektowe. Kabel magistrali zaczyna się od źródła zasilania magistrali i zwykle kończy się na ostatnim urządzeniu interfejsowym. Do komunikacji pomiędzy sterownikiem a urządzeniami obiektowymi dozwolone są cztery typy topologii: punkt-punkt, pętla, magistrala i drzewo. Każdy segment można zbudować albo przy użyciu osobnej topologii, albo przy użyciu ich kombinacji.
W topologii punkt-punkt każde urządzenie obiektowe jest podłączone bezpośrednio do sterownika. W tym przypadku każde podłączone urządzenie polowe tworzy własny segment sieci. Topologia ta jest niewygodna, gdyż pozbawia system niemal wszystkich zalet Foundation Fieldbus. W sterowniku znajduje się zbyt wiele interfejsów i aby możliwe było zasilanie urządzeń obiektowych z magistrali danych, każda linia komunikacyjna musi mieć własne zasilanie magistrali polowej. Długość linii komunikacyjnych okazuje się zbyt duża, a wymiana informacji pomiędzy urządzeniami odbywa się wyłącznie poprzez sterownik, co nie pozwala na stosowanie zasady wysokiej odporności na uszkodzenia systemów H1.
Topologia pętli zakłada szeregowe połączenie urządzeń obiektowych ze sobą. Tutaj wszystkie urządzenia terenowe są łączone w jeden segment, co pozwala na wykorzystanie mniejszej ilości zasobów. Topologia ta ma jednak również wady – przede wszystkim konieczne jest zapewnienie metod, w których awaria jednego z czujników pośrednich nie spowoduje utraty komunikacji z pozostałymi. Kolejną wadę tłumaczy się brakiem zabezpieczenia przed zwarciem w linii komunikacyjnej, w którym wymiana informacji w segmencie będzie niemożliwa.
Dwie inne topologie sieci mają największą niezawodność i praktyczność - topologia magistrali i drzewa, które w praktyce wykazały największą dystrybucję podczas budowy sieci H1. Ideą tych topologii jest wykorzystanie urządzeń interfejsowych do podłączenia urządzeń obiektowych do szkieletu. Urządzenia sprzęgające umożliwiają podłączenie każdego urządzenia polowego do własnego interfejsu.
Ustawienia sieci
Ważnymi kwestiami przy budowie sieci H1 są jej parametry fizyczne – ile urządzeń obiektowych można zastosować w segmencie, jaka jest maksymalna długość segmentu, jak długie mogą być odgałęzienia. Odpowiedź na te pytania zależy od rodzaju zasilania i zużycia energii przez urządzenia obiektowe, a w przypadku obszarów zagrożonych wybuchem od metod zapewnienia iskrobezpieczeństwa.
Maksymalną liczbę urządzeń polowych w segmencie (32) można osiągnąć tylko wtedy, gdy są one zasilane z lokalnych źródeł na miejscu i jeśli nie jest dostępne iskrobezpieczeństwo. Przy zasilaniu czujników i elementów wykonawczych z magistrali danych maksymalna liczba urządzeń może wynosić tylko 12 lub mniej, w zależności od metod iskrobezpieczeństwa.
Zależność liczby urządzeń polowych od sposobu zasilania i sposobów zapewnienia iskrobezpieczeństwa.
Długość segmentu sieci zależy od rodzaju użytego kabla. Maksymalna długość 1900 m osiągana jest przy zastosowaniu kabla typu A (skrętka z ekranem). W przypadku stosowania kabla typu D (nieskręconego kabla wielożyłowego ze wspólnym ekranem) - tylko 200 m. Przez długość odcinka rozumie się sumę długości kabla głównego i wszystkich od niego odgałęzień.
Zależność długości segmentu od rodzaju kabla.
Długość odgałęzień zależy od liczby urządzeń w segmencie sieci. Zatem przy liczbie urządzeń do 12 jest to maksymalnie 120 m. Przy zastosowaniu 32 urządzeń w segmencie maksymalna długość odgałęzień wyniesie tylko 1 m. Przy łączeniu urządzeń obiektowych za pomocą pętli każde dodatkowe urządzenie zmniejsza długość gałęzi o 30 m.
Zależność długości odgałęzień kabla głównego od liczby urządzeń polowych w segmencie.
Wszystkie te czynniki bezpośrednio wpływają na strukturę i topologię systemu. Aby przyspieszyć proces projektowania sieci, stosuje się specjalne pakiety oprogramowania, takie jak DesignMate firmy FieldComm Group lub Fieldbus Network Planner firmy Phoenix Contact. Programy umożliwiają obliczenie parametrów fizycznych i elektrycznych sieci H1 z uwzględnieniem wszelkich możliwych ograniczeń.
Przeznaczenie elementów systemu
Kontroler
Zadaniem kontrolera jest realizacja funkcji Link Active Scheduler (LAS), głównego urządzenia zarządzającego siecią poprzez wysyłanie komunikatów serwisowych. LAS inicjuje wymianę informacji pomiędzy uczestnikami sieci za pomocą komunikatów planowanych (zaplanowanych) lub nieplanowanych, diagnozuje i synchronizuje wszystkie urządzenia.
Dodatkowo sterownik odpowiada za automatyczne adresowanie urządzeń obiektowych oraz pełni funkcję urządzenia gateway, udostępniając interfejs Ethernet do komunikacji z wyższym poziomem systemu sterowania w oparciu o Foundation Fieldbus HSE lub inny protokół komunikacyjny. Na najwyższym poziomie systemu sterownik udostępnia funkcje monitoringu i sterowania operatorskiego oraz funkcje zdalnej konfiguracji urządzeń obiektowych.
W sieci może znajdować się kilka Active Link Schedulerów, gwarantujących redundancję wbudowanych w nie funkcji. W nowoczesnych systemach funkcje LAS można realizować w urządzeniu typu gateway pełniącym rolę konwertera protokołów dla systemów sterowania zbudowanych w innym standardzie niż Foundation Fieldbus HSE.
Zasilacze magistrali polowej
Kluczową rolę odgrywa układ zasilania w sieci H1, gdyż aby wymiana danych była możliwa, napięcie w kablu danych musi utrzymywać się w przedziale od 9 do 32 V DC. Niezależnie od tego, czy urządzenia polowe są zasilane z magistrali danych, czy z zasilaczy obiektowych, sieć wymaga zasilaczy magistralowych.
Dlatego ich głównym zadaniem jest utrzymanie wymaganych parametrów elektrycznych na magistrali, a także zasilanie urządzeń podłączonych do sieci. Zasilacze magistralowe różnią się od konwencjonalnych zasilaczy tym, że mają odpowiednią impedancję obwodu wyjściowego przy częstotliwościach transmisji danych. W przypadku bezpośredniego wykorzystania zasilaczy 1 lub 12 V do zasilania sieci H24 nastąpi utrata sygnału i wymiana informacji na magistrali nie będzie możliwa.
Redundantne zasilacze magistrali obiektowej FB-PS (montaż na 4 segmenty).
Biorąc pod uwagę znaczenie zapewnienia niezawodnego zasilania magistrali, zasilacze dla każdego segmentu sieci mogą być redundantne. Zasilacze Phoenix Contact FB-PS obsługują technologię automatycznego równoważenia prądu. ASV zapewnia symetryczne obciążenie pomiędzy źródłami prądu, co korzystnie wpływa na ich warunki temperaturowe i w efekcie prowadzi do zwiększenia ich żywotności.
Układ zasilania H1 zazwyczaj znajduje się w szafie sterownika.
Urządzenia interfejsowe
Urządzenia sprzęgające służą do podłączenia grupy urządzeń obiektowych do głównej magistrali danych. Ze względu na pełnioną funkcję dzieli się je na dwa rodzaje: segmentowe moduły zabezpieczające (Segment Protectors) oraz bariery polowe (Field Barriers).
Niezależnie od typu, urządzenia interfejsowe chronią sieć przed zwarciami i przetężeniami na liniach odpływowych. W przypadku wystąpienia zwarcia urządzenie interfejsowe blokuje port interfejsu, zapobiegając rozprzestrzenianiu się zwarcia w całym systemie i gwarantując w ten sposób wymianę informacji pomiędzy innymi urządzeniami sieciowymi. Po usunięciu zwarcia na linii zablokowany wcześniej port komunikacyjny zaczyna ponownie działać.
Bariery polowe dodatkowo zapewniają izolację galwaniczną pomiędzy nieiskrobezpiecznymi obwodami magistrali głównej a obwodami iskrobezpiecznymi podłączonych urządzeń obiektowych (odgałęzień).
Fizycznie urządzenia interfejsowe są również dwojakiego rodzaju - blokowe i modułowe. Urządzenia interfejsu blokowego typu FB-12SP z funkcjonalnością zabezpieczenia segmentowego pozwalają na wykorzystanie iskrobezpiecznych obwodów IC do łączenia urządzeń polowych w Strefie 2, a bariery polowe FB-12SP ISO pozwalają na łączenie urządzeń w Strefach 1 i 0 z wykorzystaniem iskrobezpiecznego IA obwody.
Złącza FB-12SP i FB-6SP firmy Phoenix Contact.
Jedną z zalet urządzeń modułowych jest możliwość skalowania systemu poprzez dobór liczby kanałów potrzebnych do podłączenia urządzeń obiektowych. Ponadto urządzenia modułowe pozwalają na tworzenie elastycznych konstrukcji. W jednej szafie rozdzielczej istnieje możliwość łączenia modułów zabezpieczeń segmentowych i barier polowych, czyli łączenia z jednej szafy urządzeń polowych znajdujących się w różnych strefach zagrożenia wybuchem. Łącznie na jednej magistrali można zainstalować do 12 dwukanałowych modułów FB-2SP lub jednokanałowych modułów bariery FB-ISO, łącząc w ten sposób z jednej szafy do 24 urządzeń obiektowych w Strefie 2 lub do 12 czujników w Strefie 1 lub 0.
Urządzenia interfejsowe mogą pracować w szerokim zakresie temperatur i instalowane są w obudowach przeciwwybuchowych Ex e, Ex d o stopniu ochrony przed pyłem i wilgocią co najmniej IP54, w tym możliwie najbliżej obiektu sterującego.
Urządzenia przeciwprzepięciowe
Sieci na poziomie pola H1 mogą tworzyć bardzo długie segmenty, a linie komunikacyjne mogą przebiegać w miejscach, w których możliwe są przepięcia. Przez przepięcia impulsowe rozumie się indukowane różnice potencjałów spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub zwarciami w pobliskich liniach kablowych. Indukowane napięcie, którego wielkość jest rzędu kilku kilowoltów, powoduje przepływ prądów wyładowczych o wartości kiloamperów. Wszystkie te zjawiska zachodzą w ciągu mikrosekund, ale mogą prowadzić do awarii elementów sieci H1. Aby chronić sprzęt przed takimi zjawiskami, konieczne jest użycie SPD. Zastosowanie ograniczników SPD zamiast konwencjonalnych końcówek przelotowych gwarantuje niezawodną i bezpieczną pracę systemu w niesprzyjających warunkach.
Zasada jego działania opiera się na zastosowaniu quasi-zwarcia w zakresie nanosekund do przepływu prądów wyładowczych w obwodzie, w którym zastosowano elementy wytrzymujące przepływ prądów o takiej wielkości.
Istnieje wiele rodzajów SPD: jednokanałowe, dwukanałowe, z wymiennymi wtyczkami, z różnymi rodzajami diagnostyki - w postaci kierunkowskazu, styku suchego. Najnowocześniejsze narzędzia diagnostyczne firmy Phoenix Contact umożliwiają monitorowanie zabezpieczeń przeciwprzepięciowych za pomocą usług cyfrowych opartych na sieci Ethernet. Zakład firmy w Rosji produkuje urządzenia dopuszczone do stosowania w środowiskach zagrożonych wybuchem, m.in. systemy Foundation Fieldbus.
Terminator autobusowy
Terminator spełnia w sieci dwie funkcje - bocznikuje prąd magistrali polowej powstający w wyniku modulacji sygnału oraz zapobiega odbiciu sygnału od końcówek linii głównej, zapobiegając w ten sposób pojawianiu się szumu i jittera (jitter fazowy sygnału cyfrowego). W ten sposób terminator pozwala uniknąć pojawienia się niedokładnych danych w sieci lub całkowitej utraty danych.
Każdy segment sieci H1 musi mieć dwa terminatory na każdym końcu segmentu. Zasilacze i złącza magistrali Phoenix Contact są wyposażone w przełączalne terminatory. Obecność dodatkowych terminatorów w sieci, na przykład z powodu błędu, znacznie obniży poziom sygnału na linii interfejsu.
Wymiana informacji pomiędzy segmentami
Wymiana informacji pomiędzy urządzeniami obiektowymi nie ogranicza się do jednego segmentu, ale jest możliwa pomiędzy różnymi odcinkami sieci, które można połączyć poprzez sterownik lub sieć zakładową opartą na Ethernecie. Można w tym przypadku zastosować protokół Foundation Fieldbus HSE lub bardziej popularny, np. Modbus TCP.
Przy budowie sieci HSE stosowane są przełączniki klasy przemysłowej. Protokół umożliwia redundancję pierścienia. W tym przypadku warto pamiętać, że w topologii pierścieniowej przełączniki muszą wykorzystywać jeden z protokołów redundancji (RSTP, MRP lub Extended Ring Redundancy) w zależności od wielkości i wymaganego czasu zbieżności sieci w przypadku zerwania kanałów komunikacyjnych.
Integracja systemów opartych na HSE z systemami innych producentów jest możliwa dzięki technologii OPC.
Metody przeciwwybuchowe
Aby stworzyć system przeciwwybuchowy, nie wystarczy kierować się wyłącznie właściwościami przeciwwybuchowymi urządzenia i wybrać jego właściwą lokalizację na budowie. W systemie każde urządzenie nie funkcjonuje samodzielnie, lecz działa w ramach jednej sieci. W sieciach Foundation Fieldbus H1 wymiana informacji pomiędzy urządzeniami znajdującymi się w różnych obszarach niebezpiecznych wiąże się nie tylko z przesyłaniem danych, ale także z przesyłaniem energii elektrycznej. Ilość energii, która była akceptowalna w jednej strefie, może nie być akceptowalna w innej. Dlatego do oceny bezpieczeństwa wybuchowego sieci polowych i wyboru optymalnej metody jego zapewnienia stosuje się podejście systematyczne. Wśród tych metod najczęściej stosowane są metody zapewnienia iskrobezpieczeństwa.
Jeśli chodzi o magistrale polowe, istnieje obecnie kilka sposobów osiągnięcia iskrobezpieczeństwa: tradycyjna metoda bariery IS, koncepcja FISCO i technologia magistrali dużej mocy (HPT).
Pierwsza opiera się na wykorzystaniu barier IS i realizuje sprawdzoną koncepcję, która znalazła zastosowanie w układach sterowania opartych na sygnałach analogowych 4-20 mA. Metoda ta jest prosta i niezawodna, ale ogranicza zasilanie urządzeń obiektowych w strefach niebezpiecznych od 0 i 1 do 80 mA. W tym przypadku, zgodnie z optymistyczną prognozą, możliwe jest podłączenie nie więcej niż 4 urządzeń polowych na segment przy poborze 20 mA, ale w praktyce nie więcej niż 2. W takim przypadku system traci wszystkie dotychczasowe zalety w Foundation Fieldbus i faktycznie prowadzi do topologii punkt-punkt, w przypadku podłączenia dużej liczby urządzeń obiektowych system musi być podzielony na wiele segmentów. Metoda ta znacznie ogranicza również długość głównego kabla i odgałęzień.
Koncepcja FISCO została opracowana przez „Narodowy Instytut Metrologiczny Niemiec” i została później uwzględniona w normach IEC, a następnie w GOST. Aby zapewnić iskrobezpieczeństwo sieci polowej, koncepcja zakłada zastosowanie komponentów spełniających określone ograniczenia. Podobne ograniczenia są sformułowane dla zasilaczy pod względem mocy wyjściowej, dla urządzeń polowych pod względem poboru mocy i indukcyjności, dla kabli pod względem rezystancji, pojemności i indukcyjności. Ograniczenia takie wynikają z faktu, że elementy pojemnościowe i indukcyjne mogą gromadzić energię, która w trybie awaryjnym, w przypadku uszkodzenia dowolnego elementu układu, może zostać uwolniona i spowodować wyładowanie iskrowe. Ponadto koncepcja zabrania stosowania redundancji w systemie zasilania magistrali.
FISCO zapewnia większy prąd do zasilania urządzeń w obszarach niebezpiecznych w porównaniu z metodą bariery polowej. Dostępny jest tutaj prąd 115 mA, który można wykorzystać do zasilania 4-5 urządzeń w segmencie. Istnieją jednak również ograniczenia dotyczące długości głównego kabla i odgałęzień.
Technologia magistrali dużej mocy jest obecnie najpowszechniejszą technologią iskrobezpieczeństwa w sieciach Foundation Fieldbus, ponieważ nie ma wad, które występują w sieciach chronionych barierami lub sieciach FISCO. Dzięki zastosowaniu HPT możliwe jest osiągnięcie limitu urządzeń polowych w segmencie sieci.
Technologia nie ogranicza parametrów elektrycznych sieci tam, gdzie nie jest to konieczne, np. na szkieletowej linii komunikacyjnej, gdzie nie ma konieczności konserwacji i wymiany sprzętu. Do podłączenia urządzeń polowych znajdujących się w strefie wybuchowej stosuje się urządzenia interfejsowe posiadające funkcjonalność barier polowych, które ograniczają parametry elektryczne sieci zasilania czujników i zlokalizowane są bezpośrednio przy obiekcie sterującym. W tym przypadku w całym segmencie zastosowano zabezpieczenie przeciwwybuchowe Ex e (ochrona podwyższona).
Źródło: www.habr.com