Foundation Fieldbus este un sistem de comunicație digital utilizat în automatizare împreună cu Profibus, Modbus sau HART. Tehnologia a apărut ceva mai târziu decât concurenții săi: prima ediție a standardului datează din 1996 și include în prezent două protocoale pentru schimbul de informații între participanții la rețea - H1 și HSE (High Speed Ethernet).
Protocolul H1 este utilizat pentru schimbul de informații la nivel de senzor și controler, iar rețeaua sa se bazează pe standardul de nivel fizic IEC 61158-2, permițând o rată de transfer de date de 31,25 kbit/s. În acest caz, este posibilă alimentarea cu energie a dispozitivelor de teren din magistrala de date. Rețeaua HSE se bazează pe rețele Ethernet de mare viteză (100/1000 Mbit/s) și este utilizată pentru a construi o rețea de sistem de control automat al proceselor la nivelul controlorilor și sistemelor de management al întreprinderii.
Tehnologia este aplicabilă în construcția sistemelor automate de control al proceselor pentru orice instalații industriale, dar este cea mai răspândită la întreprinderile din industria petrolului și gazelor și industria chimică.
Capabilitati tehnologice
Foundation Fieldbus a fost dezvoltat ca o alternativă la modelul tradițional de sisteme de control automatizate bazate pe senzori analogici și are o serie de avantaje atât față de modelul tradițional, cât și față de sistemele digitale bazate pe Profibus sau HART.
Unul dintre principalele avantaje este gradul ridicat de fiabilitate și toleranța la erori ale sistemelor H1, care se realizează datorită a doi factori:
- utilizarea dispozitivelor inteligente (senzori și actuatoare) la nivel de teren;
- capacitatea de a organiza schimbul de informații direct între dispozitivele de la nivel de câmp fără participarea unui controlor.
Inteligența dispozitivelor de teren constă în capacitatea de a implementa algoritmi de control și procesare a informațiilor care sunt implementați în mod tradițional în controler. În practică, acest lucru permite sistemului să continue să funcționeze chiar dacă controlerul eșuează. Acest lucru necesită ca dispozitivele de teren să fie configurate corespunzător și să fie furnizată o sursă de alimentare fiabilă pentru magistrala de câmp.
Beneficiile suplimentare derivate din digitalizarea sistemului de control și utilizarea senzorilor inteligenți includ capacitatea de a obține mai multe date dincolo de măsurare de la fiecare dispozitiv de câmp, extinzând în cele din urmă sfera de monitorizare a procesului, care în sistemele analogice tradiționale este limitată la sistemul de intrare/ieșire a semnalului. . .
Utilizarea topologiei de magistrală în rețeaua H1 face posibilă reducerea lungimii liniilor de cablu, volumul lucrărilor de instalare și eliminarea utilizării echipamentelor suplimentare în sistemele de control: module de intrare/ieșire, surse de alimentare și în zone periculoase - bariere de protecție împotriva scânteilor.
H1 permite utilizarea cablurilor de comunicare cu senzori de 4-20 mA, care pot fi folosite la modernizarea sistemelor de control mai vechi. Datorită utilizării principiilor de siguranță intrinsecă, tehnologia este utilizată activ în medii explozive. Standardizarea în sine garantează interschimbabilitatea și compatibilitatea echipamentelor de la diferiți producători, iar datorită dispozitivelor gateway este posibilă interfațarea unei rețele de dispozitive de teren și a unei rețele de sisteme de control industrial a întreprinderilor construite pe Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 este cel mai asemănător cu sistemele Profibus PA. Ambele tehnologii se bazează pe același standard de nivel fizic, astfel încât aceste sisteme au aceleași rate de transfer de date, utilizarea codării Manchester, parametrii electrici ai liniei de comunicație, cantitatea de putere posibilă transmisă și lungimea maximă admisă a cablului într-o rețea. segment (1900 m). De asemenea, în ambele sisteme este posibil să se utilizeze până la 4 repetoare, datorită cărora lungimea segmentului poate ajunge deja la 9,5 km. Posibile topologii de rețea în sistemul de control, precum și principiile pentru asigurarea securității intrinseci, sunt comune.
Componentele sistemului
Elementele principale ale rețelei Foundation Fieldbus H1 sunt:
- controler al sistemului de control descentralizat (DCS);
- surse de alimentare fieldbus;
- dispozitive de interfață bloc sau modulară;
- terminatoare de autobuz;
- dispozitive inteligente de câmp.
Sistemul poate conține, de asemenea, dispozitive gateway (Dispozitiv de legătură), convertoare de protocol, SPD-uri și repetoare.
Topologie de rețea
Un concept important în rețeaua H1 este conceptul de segment. Este o linie principală de comunicație (Trunk), cu ramuri care se extind din aceasta (Spur), la care sunt conectate dispozitive de câmp. Cablul trunchi începe de la sursa de alimentare magistrală și se termină de obicei la ultimul dispozitiv de interfață. Sunt permise patru tipuri de topologie pentru comunicarea între controler și dispozitivele de câmp: punct la punct, buclă, magistrală și arbore. Fiecare segment poate fi construit fie folosind o topologie separată, fie folosind combinațiile lor.
Cu o topologie punct la punct, fiecare dispozitiv de câmp este conectat direct la controler. În acest caz, fiecare dispozitiv de câmp conectat își formează propriul segment de rețea. Această topologie este incomodă deoarece privează sistemul de aproape toate avantajele inerente Foundation Fieldbus. Există prea multe interfețe pe controler și pentru a alimenta dispozitivele de câmp din magistrala de date, fiecare linie de comunicație trebuie să aibă propria sursă de alimentare a magistralei de câmp. Lungimea liniilor de comunicație se dovedește a fi prea mare, iar schimbul de informații între dispozitive se realizează numai prin intermediul controlerului, ceea ce nu permite utilizarea principiului toleranței ridicate la erori a sistemelor H1.
Topologia în buclă implică o conexiune în serie a dispozitivelor de câmp între ele. Aici, toate dispozitivele de teren sunt combinate într-un singur segment, ceea ce permite utilizarea a mai puține resurse. Cu toate acestea, această topologie are și dezavantaje - în primul rând, este necesar să se furnizeze metode în care defecțiunea unuia dintre senzorii intermediari să nu conducă la o pierdere a comunicării cu ceilalți. Un alt dezavantaj se explică prin lipsa protecției împotriva unui scurtcircuit în linia de comunicație, în care schimbul de informații în segment va fi imposibil.
Alte două topologii de rețea au cea mai mare fiabilitate și caracter practic - topologia magistrală și arborescentă, care au găsit cea mai mare distribuție în practică la construirea rețelelor H1. Ideea din spatele acestor topologii este utilizarea dispozitivelor de interfață pentru a conecta dispozitivele de teren la coloana vertebrală. Dispozitivele de cuplare permit fiecărui dispozitiv de teren să fie conectat la propria interfață.
Setari de retea
Întrebările importante la construirea unei rețele H1 sunt parametrii ei fizici - câte dispozitive de câmp pot fi utilizate într-un segment, care este lungimea maximă a unui segment, cât de lungi pot fi ramurile. Răspunsul la aceste întrebări depinde de tipul de alimentare și de consumul de energie al dispozitivelor de câmp, iar pentru zonele periculoase, de metodele de asigurare a siguranței intrinseci.
Numărul maxim de dispozitive de câmp dintr-un segment (32) poate fi atins numai dacă sunt alimentate de la surse locale la fața locului și dacă siguranța intrinsecă nu este disponibilă. La alimentarea senzorilor și actuatoarelor din magistrala de date, numărul maxim de dispozitive poate fi de numai 12 sau mai puțin, în funcție de metodele de siguranță intrinsecă.
Dependența numărului de dispozitive de teren de metoda de alimentare și metodele de asigurare a siguranței intrinseci.
Lungimea segmentului de rețea este determinată de tipul de cablu utilizat. Lungimea maximă de 1900 m este atinsă la utilizarea cablului de tip A (pereche torsadată cu ecran). Când se utilizează cablu de tip D (cablu multifilar nu răsucit cu un ecran comun) - numai 200 m. Lungimea unui segment este înțeleasă ca suma lungimilor cablului principal și a tuturor ramurilor din acesta.
Dependența lungimii segmentului de tipul cablului.
Lungimea ramurilor depinde de numărul de dispozitive din segmentul de rețea. Deci, cu un număr de dispozitive de până la 12, acesta este de maximum 120 m. Când se utilizează 32 de dispozitive într-un segment, lungimea maximă a ramurilor va fi de numai 1 m. La conectarea dispozitivelor de câmp cu o buclă, fiecare dispozitiv suplimentar reduce lungimea ramului cu 30 m.
Dependența lungimii ramurilor de la cablul principal de numărul de dispozitive de câmp din segment.
Toți acești factori afectează direct structura și topologia sistemului. Pentru a accelera procesul de proiectare a rețelei, sunt utilizate pachete software speciale, cum ar fi DesignMate de la FieldComm Group sau Fieldbus Network Planner de la Phoenix Contact. Programele vă permit să calculați parametrii fizici și electrici ai rețelei H1, ținând cont de toate restricțiile posibile.
Scopul componentelor sistemului
controlor
Sarcina controlerului este de a implementa funcțiile Link Active Scheduler (LAS), dispozitivul principal care gestionează rețeaua prin trimiterea de mesaje de serviciu. LAS inițiază schimbul de informații între participanții la rețea cu mesaje planificate (programate) sau neprogramate, diagnosticează și sincronizează toate dispozitivele.
În plus, controlerul este responsabil pentru adresarea automată a dispozitivelor de teren și acționează ca un dispozitiv gateway, oferind o interfață Ethernet pentru comunicarea cu nivelul superior al sistemului de control bazat pe Foundation Fieldbus HSE sau alt protocol de comunicare. La nivelul superior al sistemului, controlerul oferă funcții de monitorizare și control al operatorului, precum și funcții pentru configurarea de la distanță a dispozitivelor de teren.
În rețea pot exista mai multe Active Link Scheduler, garantând redundanța funcțiilor încorporate în acestea. În sistemele moderne, funcțiile LAS pot fi implementate într-un dispozitiv gateway care acționează ca un convertor de protocol pentru sistemele de control construite pe un alt standard decât Foundation Fieldbus HSE.
Surse de alimentare fieldbus
Sistemul de alimentare din rețeaua H1 joacă un rol cheie, deoarece pentru ca schimbul de date să fie posibil, tensiunea din cablul de date trebuie menținută în intervalul de la 9 la 32 V DC. Indiferent dacă dispozitivele de câmp sunt alimentate de magistrala de date sau de surse de alimentare de câmp, rețeaua necesită surse de alimentare cu magistrală.
Prin urmare, scopul lor principal este de a menține parametrii electrici necesari pe magistrală, precum și de a alimenta dispozitivele conectate la rețea. Sursele de alimentare cu magistrală diferă de sursele de alimentare convenționale prin faptul că au o impedanță corespunzătoare a circuitului de ieșire la frecvențele de transmisie a datelor. Dacă utilizați direct surse de alimentare de 1 sau 12 V pentru a alimenta rețeaua H24, semnalul se va pierde și schimbul de informații pe magistrală nu va fi posibil.
Surse de alimentare redundante fieldbus FB-PS (ansamblu pentru 4 segmente).
Având în vedere importanța furnizării de energie de magistrală fiabilă, sursele de alimentare pentru fiecare segment de rețea pot fi redundante. Sursele de alimentare Phoenix Contact FB-PS acceptă tehnologia Auto Current Balancing. ASV asigură o sarcină simetrică între sursele de alimentare, ceea ce are un efect benefic asupra condițiilor de temperatură a acestora și duce în cele din urmă la o creștere a duratei de viață a acestora.
Sistemul de alimentare cu energie H1 este situat de obicei în dulapul controlerului.
Dispozitive de interfață
Dispozitivele de cuplare sunt concepute pentru a conecta un grup de dispozitive de teren la magistrala de date principală. În funcție de funcțiile pe care le îndeplinesc, acestea se împart în două tipuri: module de protecție a segmentelor (Segment Protectors) și bariere de câmp (Field Barriers).
Indiferent de tip, dispozitivele de interfață protejează rețeaua de scurtcircuite și supracurenți în liniile de ieșire. Când apare un scurtcircuit, dispozitivul de interfață blochează portul de interfață, împiedicând răspândirea scurtcircuitului în întregul sistem și astfel garantând schimbul de informații între alte dispozitive din rețea. După eliminarea scurtcircuitului pe linie, portul de comunicație blocat anterior începe să funcționeze din nou.
Barierele de câmp asigură suplimentar izolarea galvanică între circuitele nesigure intrinsec ale magistralei principale și circuitele cu siguranță intrinsecă ale dispozitivelor de câmp conectate (ramuri).
Din punct de vedere fizic, dispozitivele de interfață sunt, de asemenea, de două tipuri - bloc și modulare. Dispozitivele de interfață bloc de tip FB-12SP cu funcționalitate de protecție a segmentelor vă permit să utilizați circuite IC cu siguranță intrinsecă pentru a conecta dispozitive de câmp din Zona 2, iar barierele de câmp ISO FB-12SP vă permit să conectați dispozitive din Zonele 1 și 0 folosind IA intrinsec sigur. circuite.
Cuplaje FB-12SP și FB-6SP de la Phoenix Contact.
Unul dintre avantajele dispozitivelor modulare este capacitatea de a scala sistemul prin selectarea numărului de canale necesare pentru conectarea dispozitivelor de teren. În plus, dispozitivele modulare permit crearea unor structuri flexibile. Într-un dulap de distribuție este posibil să combinați module de protecție a segmentelor și bariere de câmp, adică să conectați dispozitive de câmp situate în diferite zone cu pericol de explozie dintr-un singur cabinet. În total, până la 12 module FB-2SP cu două canale sau module de barieră FB-ISO cu un singur canal pot fi instalate pe o singură magistrală, conectând astfel de la un cabinet la 24 de dispozitive de câmp în Zona 2 sau până la 12 senzori în Zona 1 sau 0.
Dispozitivele de interfață pot fi operate într-un domeniu larg de temperatură și sunt instalate în carcase antiexplozive Ex e, Ex d cu un grad de protecție împotriva prafului și umezelii de cel puțin IP54, inclusiv cât mai aproape posibil de obiectul de control.
Dispozitive de protecție la supratensiune
Rețelele la nivel de câmp H1 pot forma segmente foarte lungi, iar liniile de comunicație pot rula în locuri unde sunt posibile supratensiuni. Supratensiunile impulsurilor sunt înțelese ca diferențe de potențial induse cauzate de descărcări de fulgere sau scurtcircuite în liniile de cablu din apropiere. Tensiunea indusă, a cărei mărime este de ordinul mai multor kilovolți, provoacă curgerea curenților de descărcare de kiloamperi. Toate aceste fenomene apar în câteva microsecunde, dar pot duce la defecțiunea componentelor rețelei H1. Pentru a proteja echipamentul de astfel de fenomene, este necesar să folosiți un SPD. Utilizarea SPD-urilor în locul terminalelor de trecere convenționale garantează o funcționare fiabilă și sigură a sistemului în condiții nefavorabile.
Principiul funcționării sale se bazează pe utilizarea unui semi-scurtcircuit în intervalul de nanosecunde pentru fluxul de curenți de descărcare într-un circuit care utilizează elemente care pot rezista la fluxul de curenți de o asemenea magnitudine.
Există un număr mare de tipuri de SPD-uri: cu un singur canal, cu două canale, cu dopuri înlocuibile, cu diferite tipuri de diagnosticare - sub formă de intermitent, contact uscat. Instrumentele de diagnostic de ultimă generație de la Phoenix Contact vă permit să monitorizați dispozitivele de protecție la supratensiune folosind servicii digitale bazate pe Ethernet. Fabrica companiei din Rusia produce dispozitive certificate pentru utilizare în medii explozive, inclusiv sisteme Foundation Fieldbus.
Terminator de autobuz
Terminatorul îndeplinește două funcții în rețea - shuntează curentul magistralei de câmp, care apare ca urmare a modulării semnalului și împiedică reflectarea semnalului de la capetele liniei principale, prevenind astfel apariția zgomotului și jitter-ului ( jitter de fază a semnalului digital). Astfel, terminatorul vă permite să evitați apariția datelor inexacte în rețea sau pierderea totală a datelor.
Fiecare segment al rețelei H1 trebuie să aibă două terminatoare la fiecare capăt al segmentului. Sursele de alimentare și cuplele magistralei Phoenix Contact sunt echipate cu terminatoare comutabile. Prezența unor terminatoare suplimentare în rețea, de exemplu, din cauza unei erori, va reduce semnificativ nivelul semnalului în linia de interfață.
Schimbul de informații între segmente
Schimbul de informații între dispozitivele de teren nu se limitează la un singur segment, ci este posibil între diferite secțiuni ale rețelei, care pot fi conectate printr-un controler sau o rețea de instalație bazată pe Ethernet. În acest caz, poate fi utilizat protocolul Foundation Fieldbus HSE sau unul mai popular, de exemplu, Modbus TCP.
La construirea unei rețele HSE, se folosesc comutatoare de calitate industrială. Protocolul permite redundanța inelului. În acest caz, merită să ne amintim că într-o topologie de inel, comutatoarele trebuie să utilizeze unul dintre protocoalele de redundanță (RSTP, MRP sau Extended Ring Redundancy) în funcție de dimensiunea și timpul necesar de convergență a rețelei atunci când canalele de comunicație sunt întrerupte.
Integrarea sistemelor bazate pe HSE cu sisteme terțe este posibilă folosind tehnologia OPC.
Metode rezistente la explozie
Pentru a crea un sistem antideflagrant, nu este suficient să fii ghidat doar de caracteristicile antiexplozive ale echipamentului și de alegerea locației sale corecte pe șantier. În cadrul sistemului, fiecare dispozitiv nu funcționează singur, ci funcționează într-o singură rețea. În rețelele Foundation Fieldbus H1, schimbul de informații între dispozitive situate în diferite zone periculoase implică nu numai transferul de date, ci și transferul de energie electrică. Cantitatea de energie care a fost acceptabilă într-o zonă poate să nu fie acceptabilă în alta. Prin urmare, pentru a evalua siguranța la explozie a rețelelor de câmp și pentru a selecta metoda optimă pentru asigurarea acesteia, se utilizează o abordare sistematică. Dintre aceste metode, metodele de asigurare a siguranței intrinseci sunt cele mai utilizate.
Când vine vorba de magistralele de teren, există în prezent mai multe modalități de a obține siguranța intrinsecă: metoda tradițională de barieră IS, conceptul FISCO și tehnologia trunchiului de mare putere (HPT).
Primul se bazează pe utilizarea barierelor IS și implementează un concept dovedit care a fost folosit în sistemele de control bazate pe semnale analogice de 4-20 mA. Această metodă este simplă și fiabilă, dar limitează alimentarea cu energie la dispozitivele de câmp din zonele periculoase 0 și 1 până la 80 mA. În acest caz, conform unei prognoze optimiste, este posibil să se conecteze nu mai mult de 4 dispozitive de câmp pe segment cu un consum de 20 mA, dar în practică nu mai mult de 2. În acest caz, sistemul pierde toate avantajele existente. în Foundation Fieldbus și duce de fapt la o topologie punct la punct, atunci când se conectează un număr mare de dispozitive de câmp, sistemul trebuie împărțit în mai multe segmente. Această metodă limitează, de asemenea, în mod semnificativ lungimea cablului principal și a ramurilor.
Conceptul FISCO a fost dezvoltat de „Institutul Național de Metrologie din Germania” și a fost inclus ulterior în standardele IEC și apoi în GOST. Pentru a asigura siguranța intrinsecă a rețelei de câmp, conceptul presupune utilizarea unor componente care îndeplinesc anumite restricții. Restricții similare sunt formulate pentru surse de alimentare în ceea ce privește puterea de ieșire, pentru dispozitivele de câmp în ceea ce privește consumul de energie și inductanța, pentru cabluri în ceea ce privește rezistența, capacitatea și inductanța. Astfel de restricții se datorează faptului că elementele capacitive și inductive pot acumula energie, care în modul de urgență, în cazul deteriorării oricărui element al sistemului, poate fi eliberată și poate provoca o descărcare de scânteie. În plus, conceptul interzice utilizarea redundanței în sistemul de alimentare cu magistrală.
FISCO oferă un curent mai mare pentru alimentarea dispozitivelor în zone periculoase în comparație cu metoda barierei de câmp. 115 mA este disponibil aici, care poate fi folosit pentru a alimenta 4-5 dispozitive din segment. Cu toate acestea, există și restricții privind lungimea cablului principal și a ramurilor.
Tehnologia High Power Trunk este în prezent cea mai comună tehnologie de siguranță intrinsecă în rețelele Foundation Fieldbus deoarece elimină dezavantajele care există în rețelele protejate cu bariere sau FISCO. Cu utilizarea HPT, este posibilă atingerea limitei dispozitivelor de câmp într-un segment de rețea.
Tehnologia nu limitează parametrii electrici ai rețelei acolo unde acest lucru nu este necesar, de exemplu, pe o linie de comunicație backbone, unde nu este nevoie de întreținere și înlocuire a echipamentelor. Pentru conectarea dispozitivelor de câmp situate într-o zonă explozivă, se folosesc dispozitive de interfață cu funcționalitatea barierelor de câmp, care limitează parametrii electrici ai rețelei pentru alimentarea senzorilor și sunt situate direct lângă obiectul de control. În acest caz, pe întregul segment se utilizează tipul de protecție împotriva exploziei Ex e (protecție sporită).
Sursa: www.habr.com