Foundation Fieldbus to cyfrowy system komunikacji stosowany w automatyce, obok takich jak Profibus, Modbus czy HART. Technologia pojawiła się kilka lat później niż jej konkurenci: pierwszy projekt standardu datowany jest na 1996 rok i obecnie obejmuje dwa protokoły wymiany informacji między uczestnikami sieci – H1 i HSE (High Speed Ethernet).
Protokół H1 jest stosowany do wymiany informacji na poziomie czujników i kontrolerów, a jego sieć opiera się na standardzie warstwy fizycznej IEC 61158-2, dopuszczając prędkość transmisji danych wynoszącą 31,25 kbit/s. Zasilanie urządzeń polowych można organizować z szyny transmisyjnej. Sieć HSE oparta jest na szybkich sieciach Ethernet (100/1000 Mbit/s) i służy do budowy systemów zarządzania produkcją na poziomie kontrolerów oraz systemów zarządzania przedsiębiorstwem.
Technologia ta jest stosowana w budowie systemów zarządzania produkcją w różnych obiektach przemysłowych, ale najszersze zastosowanie znalazła w przedsiębiorstwach branży naftowo-gazowej i chemicznej.
Możliwości technologii
Foundation Fieldbus była rozwijana jako alternatywa dla tradycyjnego modelu zautomatyzowanych systemów kontrolnych opartych na czujnikach analogowych, oferując szereg zalet zarówno w porównaniu do tradycyjnego modelu, jak i cyfrowych systemów opartych na Profibusie lub HART.
Jedną z głównych zalet jest wysoki poziom niezawodności oraz odporności na awarie systemów H1, co osiąga się dzięki dwóm czynnikom:
- użyciu na poziomie polowym inteligentnych urządzeń (czujników i aktuatorów);
- możliwości organizacji wymiany informacji bezpośrednio między urządzeniami polowymi bez udziału kontrolera.
Inteligencja urządzeń polowych polega na możliwości wprowadzenia algorytmów sterowania i przetwarzania informacji, które tradycyjnie realizowane są w kontrolerze. W praktyce pozwala to systemowi na kontynuowanie pracy nawet w przypadku awarii kontrolera. Wymaga to jednak odpowiedniej konfiguracji urządzeń polowych oraz zapewnienia niezawodnego systemu zasilania szyny polowej.
Dodatkowe korzyści z cyfryzacji systemu zarządzania i wykorzystania inteligentnych czujników polegają na możliwości uzyskania większej ilości danych oprócz pomiaru z każdego urządzenia polowego, co ostatecznie rozszerza pole obserwacji procesu, które w tradycyjnych systemach analogowych jest ograniczone przez system wejścia-wyjścia sygnałów.
Zastosowanie topologii magistrali w sieci H1 pozwala na skrócenie długości linii kablowych, zmniejszenie zakresu prac montażowych oraz zrezygnowanie z dodatkowego wyposażenia w systemach zarządzania: modułów wejścia-wyjścia, źródeł zasilania, a w strefach zagrożonych wybuchem — barier iskrobezpieczeństwa.
H1 dopuszcza stosowanie kabli linii komunikacyjnych czujników 4-20 mA, co może być wykorzystane przy modernizacji starych systemów zarządzania. Dzięki zastosowaniu zasad iskrobezpieczeństwa technologia ta jest aktywnie stosowana w środowiskach zagrożonych wybuchem. Sama standaryzacja gwarantuje wzajemną zamienność i kompatybilność sprzętu różnych producentów, a dzięki urządzeniom bramowym możliwe jest połączenie sieci urządzeń polowych z sieciami automatyki przemysłowej, zbudowanymi na Ethernet.
Największe podobieństwo Foundation Fieldbus H1 ma z systemami Profibus PA. Obie technologie opierają się na tym samym standardzie warstwy fizycznej, dlatego tego samego są prędkości przesyłu danych, wykorzystanie kodowania manchester, parametry elektryczne linii komunikacyjnej, maksymalna przekazywana moc oraz maksymalna długość kabla w segmencie sieci (1900 m). W obu systemach możliwe jest także użycie do 4 repeaterów, dzięki czemu długość segmentu może osiągnąć aż 9,5 km. Wspólne są również możliwe topologie sieci w systemie zarządzania oraz zasady zapewnienia iskrobezpieczeństwa.
Komponenty systemu
Głównymi elementami sieci Foundation Fieldbus H1 są:
- kontroler zdecentralizowanego systemu zarządzania (DCS);
- źródła zasilania magistrali polowej;
- urządzenia sprzęgające blokowe lub modułowe;
- terminatory magistrali;
- inteligentne urządzenia polowe.
W systemie mogą także występować urządzenia bramowe (Linking Device), konwertery protokołów, Ochrona Odgromowa i repeatery.
Topologia sieci
Ważnym pojęciem w sieci H1 jest pojęcie segmentu. Reprezentuje on magistralną linię komunikacyjną (Trunk), z odgałęzieniami (Spur), do których podłączane są urządzenia polowe. Kabel magistralny zaczyna się na źródle zasilania szyny i kończy zwykle na ostatnim urządzeniu połączeniowym. Do komunikacji kontrolera z urządzeniami polowymi dopuszczane są cztery rodzaje topologii: punkt-punkt, pierścień, magistrala i drzewo. Każdy segment może być zbudowany zarówno w oparciu o oddzielną topologię, jak i o kombinacje tych topologii.
W przypadku użycia topologii punkt-punkt każde urządzenie polowe jest bezpośrednio podłączone do kontrolera. Każde podłączone urządzenie polowe tworzy własny segment sieci. Taka topologia okazuje się niewygodna, ponieważ pozbawia system prawie wszystkich zalet, które niesie ze sobą Foundation Fieldbus. Na kontrolerze angażowane jest zbyt wiele interfejsów, a zasilanie urządzeń polowych z magistrali danych musi mieć swoje źródło zasilania na każdej linii komunikacyjnej. Długość linii komunikacyjnych staje się zbyt duża, a wymiana informacji między urządzeniami odbywa się tylko przez kontroler, co uniemożliwia wykorzystanie zasady wysokiej odporności systemów H1 na awarie.
Topologia pierścienia zakłada szeregowe połączenie urządzeń polowych ze sobą. Wszystkie urządzenia polowe są połączone w jeden segment, co pozwala na wykorzystanie mniejszych zasobów. Jednak ta topologia ma również swoje wady – przede wszystkim trzeba przewidzieć metody, które zapobiegną sytuacji, w której awaria jednego z pośrednich czujników nie doprowadzi do zerwania łączności z pozostałymi. Inną wadą jest brak zabezpieczeń przed zwarciem w linii komunikacyjnej, co uniemożliwia wymianę informacji w segmencie.
Największą niezawodnością i praktycznością charakteryzują się dwie inne topologie sieci – topologia magistrali i topologia drzewa, które zyskały największe rozpowszechnienie w praktyce podczas budowy sieci H1. Istota tych topologii polega na wykorzystaniu urządzeń łącznikowych do podłączenia urządzeń polowych do magistrali komunikacyjnej. Urządzenia łącznikowe umożliwiają podłączenie każdego urządzenia polowego do własnego interfejsu.
Parametry sieci
Ważnymi kwestiami przy budowie sieci H1 są jej fizyczne parametry – ile urządzeń polowych można użyć w segmencie, jaka może być maksymalna długość segmentu, jakie długości mogą mieć odgałęzienia. Odpowiedzi na te pytania zależą od typu zasilania i poboru energii przez urządzenia polowe, a w przypadku obiektów narażonych na wybuch – od metod zapewnienia ochrony przeciwwybuchowej.
Maksymalna liczba urządzeń polowych w segmencie (32) może być osiągnięta tylko w przypadku ich zasilania z lokalnych źródeł i przy braku środków zapewniających ochronę przeciwwybuchową. Przy zasilaniu czujników i aktorów z magistrali danych maksymalna liczba urządzeń może wynosić tylko 12 lub mniej, w zależności od metod zapewnienia ochrony przeciwwybuchowej.
Zależność liczby urządzeń polowych od sposobu zasilania i metod zapewnienia ochrony przeciwwybuchowej.
Długość segmentu sieci określona jest typem używanego kabla. Maksymalna długość 1900 m osiągana jest przy użyciu kabla typu A (skrętka z ekranem). Przy użyciu kabla typu D (nieskręcony wielodrutowy kabel z wspólnym ekranem) – tylko 200 m. Pod długością segmentu rozumie się sumę długości kabla magistralnego i wszystkich odgałęzień od niego.
Zależność długości segmentu od typu kabla.
Długość odgałęzień zależy od liczby urządzeń w segmencie sieci. Tak, przy liczbie urządzeń do 12 – to maksymalnie 120 m. Przy użyciu w segmencie 32 urządzeń maksymalna długość odgałęzień wyniesie tylko 1 m. Przy podłączaniu urządzeń polowych w łańcuchu każde dodatkowe urządzenie skraca długość odgałęzienia o 30 m.
Zależność długości odgałęzień od kabla magistralnego od liczby urządzeń polowych w segmencie.
Wszystkie te czynniki mają bezpośredni wpływ na strukturę i topologię systemu. Aby przyspieszyć proces projektowania sieci, wykorzystuje się specjalne oprogramowanie, takie jak DesignMate od organizacji FieldComm Group lub Fieldbus Network Planner od firmy Phoenix Contact. Programy te umożliwiają obliczenie fizycznych i elektrycznych parametrów sieci H1, uwzględniając wszystkie możliwe ograniczenia.
Przeznaczenie komponentów systemu
Kontroler
Zadaniem kontrolera jest realizacja funkcji Aktywnego Planera Łączności (LAS) – głównego urządzenia zarządzającego siecią za pomocą rozsyłania komunikatów sterujących. LAS inicjuje wymianę informacji między uczestnikami sieci zaplanowanymi (zgodnie z harmonogramem) lub niezaplanowanymi komunikatami, przeprowadza diagnostykę i synchronizację wszystkich urządzeń.
Ponadto, kontroler odpowiada za automatyczne adresowanie urządzeń polowych, pełni rolę urządzenia bramowego, zapewniając interfejs Ethernet do komunikacji z najwyższym poziomem systemu sterowania opartym na Foundation Fieldbus HSE lub innym protokole komunikacyjnym. Dla najwyższego poziomu systemu kontroler zapewnia funkcje monitorowania i zarządzania ze strony operatora oraz funkcje zdalnej konfiguracji urządzeń polowych.
W sieci może być kilka Aktywnych Planerów Łączności, gwarantujących rezerwację wbudowanych w nie funkcji. W nowoczesnych systemach funkcje LAS mogą być realizowane w urządzeniu bramowym, pełniącym rolę konwertera protokołów dla systemów kontroli, zbudowanych na standardzie różnym od Foundation Fieldbus HSE.
Źródła zasilania magistrali polowej
System zasilania w sieci H1 odgrywa kluczową rolę, ponieważ dla samej możliwości wymiany informacji w kablu przesyłowym musi być utrzymywane napięcie w zakresie od 9 do 32 V prądu stałego. Niezależnie od tego, czy urządzenia polowe są zasilane z magistrali przesyłowej, czy z lokalnych źródeł zasilania, w sieci wymagane są źródła zasilania magistrali.
Dlatego ich głównym celem jest utrzymanie wymaganych parametrów elektrycznych na szynie, a także zasilanie urządzeń podłączonych do sieci. W przeciwieństwie do zwykłych zasilaczy, zasilacze szyny różnią się tym, że mają odpowiednią impedancję wyjściowego obwodu na częstotliwościach przesyłania danych. Jeśli zasilacze 12 lub 24 V są używane do bezpośredniego zasilania sieci H1, sygnał zostanie utracony, a wymiana informacji na szynie będzie niemożliwa.
Zarezerwowane zasilacze pola szyny FB-PS (montaż dla 4 segmentów).
Biorąc pod uwagę znaczenie zapewnienia niezawodnego zasilania szyny, zasilacze każdego segmentu sieci mogą być rezerwowane. Zasilacze FB-PS od Phoenix Contact wspierają technologię automatycznego bilansowania obciążenia prądowego (Auto Current Balancing). ACB zapewnia symetryczne obciążenie między zasilaczami, co korzystnie wpływa na ich temperaturę i ostatecznie prowadzi do wydłużenia ich żywotności.
System zasilania sieci H1 zazwyczaj znajduje się w szafie kontrolera.
Urządzenia połączeniowe
Urządzenia połączeniowe są przeznaczone do podłączania grupy urządzeń polowych do magistrali transmisji danych. W zależności od pełnionych funkcji dzielą się na dwa typy: moduły ochrony segmentu (Segment Protectors) i bariery polowe (Field Barriers).
Bez względu na typ, urządzenia połączeniowe chronią sieć przed zwarciami i przeciążeniami w liniach odpływowych. W przypadku wystąpienia zwarcia urządzenie połączeniowe blokuje port interfejsu, zapobiegając rozprzestrzenieniu się zwarcia w systemie i w ten sposób zapewniając wymianę informacji między pozostałymi urządzeniami w sieci. Po usunięciu zwarcia w linii wcześniej zablokowany port komunikacyjny ponownie zaczyna działać.
Bariery polowe dodatkowo zapewniają galwaniczną izolację między obwodami nieiskrobezpiecznymi magistrali a iskrobezpiecznymi obwodami podłączanych urządzeń polowych (odgałęzienia).
Fizyczne urządzenia połączeniowe występują w dwóch typach – blokowym i modułowym. Blokowe urządzenia połączeniowe typu FB-12SP z funkcjonalnością ochrony segmentu umożliwiają użycie w strefie 2 łańcuchów iskrobezpiecznych IC do podłączenia urządzeń polowych, a bariery polowe FB-12SP ISO pozwalają na podłączanie urządzeń w strefach 1 i 0 za pomocą łańcuchów iskrobezpiecznych IA.
Urządzenia połączeniowe FB-12SP i FB-6SP od Phoenix Contact.
Jedną z zalet modułowych urządzeń jest możliwość skalowania systemu poprzez dobór niezbędnej liczby kanałów do podłączenia urządzeń polowych. Ponadto, urządzenia modułowe pozwalają na tworzenie elastycznych struktur. W jednej szafie rozdzielczej można łączyć moduły ochrony segmentu i bariery polowe, co umożliwia podłączanie urządzeń polowych z jednego szafy, które znajdują się w różnych strefach zagrożenia wybuchem. Na jednej szynie można zainstalować do 12 dwukanałowych modułów FB-2SP lub jednokanałowych modułów barier FB-ISO, co pozwala na podłączenie do 24 urządzeń polowych w strefie 2 lub do 12 czujników w strefach 1 lub 0.
Urządzenia połączeniowe mogą być eksploatowane w szerokim zakresie temperatur i są montowane w obudowach przeciwwybuchowych Ex e, Ex d o stopniu ochrony przed pyłem i wilgocią nie mniejszym niż IP54, w tym maksymalnie blisko obiektu sterowania.
Urządzenia ochrony przed przepięciami
Sieci poziomu polowego N1 mogą tworzyć bardzo rozciągnięte segmenty, a linie komunikacyjne mogą przebiegać w miejscach, gdzie mogą występować przepięcia. Pod przepięciami rozumie się wymuszone różnice potencjałów, spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub zwarciami w pobliskich liniach kablowych. Indukowane napięcie, którego wartość wynosi kilka kilowoltów, powoduje przepływ prądów rozładowczych o wartości w kiloamperach. Wszystkie te zjawiska zachodzą w ciągu mikrosekund, ale mogą doprowadzić do uszkodzenia komponentów sieci N1. Aby chronić urządzenia przed takimi zjawiskami, należy stosować urządzenia przeciwprzepięciowe (UZIIP). Zastosowanie UZIIP zamiast standardowych złączek zapewnia niezawodne i bezpieczne działanie systemu w niekorzystnych warunkach.
Jego zasada działania opiera się na wykorzystaniu quasi-krótkiego spięcia w zakresie nanosekundowym do przepływu prądów wyładowczych w obwodzie, w którym używane są elementy zdolne do wytrzymywania przepływu prądów tej wielkości.
Istnieje wiele rodzajów UZIP: jednoukładowe, dwukanałowe, z wymiennymi wtykami, z różnymi rodzajami diagnostyki – w formie blinkera, suchego kontaktu. Nowoczesne środki diagnostyki od Phoenix Contact umożliwiają monitorowanie UZIP z wykorzystaniem cyfrowych usług opartych na Ethernet. W fabryce firmy w Rosji produkowane są urządzenia certyfikowane do stosowania w środowiskach zagrożonych wybuchem, w tym w systemach Foundation Fieldbus.
Terminator szyny
Terminator pełni w sieci dwie funkcje – zwarcie prądu szyny polowej, który powstaje w wyniku modulacji sygnału oraz zapobiega odbiciu sygnału od końców linii magistralnej, w ten sposób unikając pojawienia się szumów i jittera (wahania fazowego sygnału cyfrowego). W ten sposób, terminator pozwala uniknąć pojawienia się niedokładnych danych w sieci lub całkowitej utraty danych.
W każdej sekcji sieci H1 muszą być obecne dwa terminale, na każdym końcu sekcji. Zasilacze szyny i urządzenia łączące Phoenix Contact są wyposażone w wyłączane terminale. Obecność dodatkowych terminali w sieci, na przykład w wyniku błędu, znacząco obniża poziom sygnału w linii interfejsowej.
Wymiana informacji między segmentami
Wymiana informacji między urządzeniami polowymi nie ogranicza się tylko do jednego segmentu, lecz jest możliwa między różnymi obszarami sieci, które mogą być połączone przez kontroler lub sieć przedsiębiorstwa opartą na Ethernet. W tym przypadku można wykorzystać protokół Foundation Fieldbus HSE lub bardziej popularny, na przykład Modbus TCP.
W budowie sieci HSE zastosowane są przemysłowe switche. Protokół dopuszcza pierścieniowe zapasowanie. W tym przypadku należy pamiętać, że w topologii pierścieniowej switche muszą stosować jeden z protokołów zapasowania (RSTP, MRP lub Extended Ring Redundancy) w zależności od rozmiaru i wymaganej szybkości konwergencji sieci w przypadku przerwania połączeń.
Integracja systemów opartych na HSE z systemami zewnętrznymi jest możliwa dzięki zastosowaniu technologii ORS.
Metody zapewnienia bezpieczeństwa wybuchowego
Aby stworzyć system odporny na wybuchy, nie wystarczy kierować się jedynie właściwościami urządzeń odpornych na wybuchy oraz wyborem ich prawidłowego umiejscowienia w obiekcie. W ramach systemu każde z urządzeń nie działa samodzielnie, lecz funkcjonuje w ramach wspólnej sieci. W sieciach Foundation Fieldbus H1 wymiana informacji między urządzeniami znajdującymi się w różnych strefach zagrożenia wybuchem wiąże się nie tylko z przesyłem danych, ale także z przesyłem energii elektrycznej. Ilość energii, która była dopuszczalna w jednej strefie, może być nieakceptowalna w innej. Dlatego do oceny odporności na wybuchy sieci polowych oraz wyboru optymalnej metody zapewnienia tego bezpieczeństwa stosuje się podejście systemowe. Wśród takich metod największą popularnością cieszą się metody zapewnienia bezpieczeństwa iskrowego.
W odniesieniu do szyn polowych obecnie istnieje kilka sposobów zapewnienia bezpieczeństwa iskrowego: tradycyjna metoda barier ochrony przed iskrami, koncepcja FISCO i technologia Wysokiej Mocy Trunk (HPT).
Pierwsza z nich opiera się na wykorzystaniu barier ochrony przed iskrami i realizuje sprawdzoną koncepcję, która była stosowana w systemach zarządzania opartych na analogowych sygnałach 4-20 mA. Ta metoda jest prosta i niezawodna, jednak ogranicza zasilanie urządzeń polowych w strefach zagrożenia wybuchem 0 i 1 do 80 mA. W tym przypadku, według optymistycznych prognoz, można podłączyć nie więcej niż 4 urządzenia polowe na segment o zużyciu 20 mA, ale w praktyce nie więcej niż 2. W takim przypadku system traci wszystkie zalety, jakie ma Foundation Fieldbus, i faktycznie prowadzi do topologii punkt-punkt, gdzie dla podłączenia dużej liczby urządzeń polowych system musi być dzielony na liczne segmenty. Metoda ta znacznie ogranicza także długość kabla trunkowego i odgałęzień.
Koncepcja FISCO została opracowana przez "Niemiecki Instytut Metrologii" i później włączona do norm IEC, a następnie do GOST. Aby zapewnić iskrobezpieczeństwo sieci polowej, koncepcja ta zakłada stosowanie komponentów spełniających określone ograniczenia. Ograniczenia te są formułowane dla zasilaczy według mocy wyjściowej, dla urządzeń polowych według pobieranej mocy i indukcyjności, dla kabli według oporu, pojemności i indukcyjności. Takie ograniczenia wynikają z faktu, że elementy pojemnościowe i indukcyjne mogą gromadzić energię, która w trybie awaryjnym, w przypadku uszkodzenia jakiegokolwiek elementu systemu, może się uwolnić i spowodować iskrzenie. Ponadto koncepcja zabrania stosowania rezerwacji w systemie zasilania szyny.
FISCO zapewnia większy prąd do zasilania urządzeń w strefie zagrożonej wybuchem w porównaniu z metodą barier polowych. Tutaj dostępne jest 115 mA, co można wykorzystać do zasilania 4-5 urządzeń w segmencie. Istnieją jednak również ograniczenia dotyczące długości kabla magistralnego i odgałęzień.
Technologia High Power Trunk jest obecnie najczęściej stosowaną technologią zapewniającą iskrobezpieczeństwo w sieciach Foundation Fieldbus, ponieważ pozbawiona jest wad występujących w sieciach chronionych barierami lub zbudowanych zgodnie z FISCO. Dzięki zastosowaniu HPT możliwe stało się osiągnięcie maksymalnej liczby urządzeń polowych w segmencie sieci.
Technologia ta nie ogranicza parametrów elektrycznych sieci tam, gdzie nie jest to konieczne, na przykład w linii magistralnej, gdzie brak konieczności serwisowania i wymiany sprzętu. Do podłączenia urządzeń polowych, które znajdują się w strefie zagrożonej wybuchem, wykorzystuje się urządzenia pośredniczące z funkcjonalnością barier polowych, które ograniczają parametry elektryczne sieci do zasilania czujników i znajdują się bezpośrednio obok obiektu sterowania. W tym przypadku przez cały segment stosuje się rodzaj ochrony przeciwwybuchowej Ex e (zwiększona ochrona).
Źródło: habr.com
