Foundation Fieldbus este un sistem de comunicare digital, utilizat în automatizare, alături de tehnologii precum Profibus, Modbus sau HART. Tehnologia a apărut ceva mai târziu decât concurenții săi: prima versiune a standardului datează din 1996 și în prezent include două protocoale de schimb informațional între participanții la rețea – H1 și HSE (High Speed Ethernet).
Protocolul H1 este utilizat pentru schimbul de informații la nivelul senzorilor și controlerelor, iar rețeaua sa se bazează pe standardul de nivel fizic IEC 61158-2, permițând o viteză de transmisie de 31,25 kbit/s. De asemenea, alimentarea dispozitivelor de câmp poate fi organizată de la magistrala de transmisie a datelor. Rețeaua HSE se bazează pe rețele Ethernet de mare viteză (100/1000 Mbit/s) și este utilizată pentru construirea unei rețele DCS la nivelul controlerelor și sistemelor de management al întreprinderii.
Tehnologia este aplicabilă în construcția DCS-urilor pentru orice tip de obiecte industriale, dar a avut cea mai mare răspândire în întreprinderile din industria petrolieră și chimică.
Capabilitățile tehnologiei
Foundation Fieldbus a fost dezvoltat ca o alternativă la modelul tradițional de sisteme automate de control bazate pe senzori analogici și a obținut o serie de avantaje atât față de modelul tradițional, cât și față de sistemele digitale bazate pe Profibus sau HART.
Unul dintre principalele sale avantaje constă în gradul ridicat de fiabilitate și rezistență la defecte a sistemelor H1, ceea ce se realizează datorită a doi factori:
- utilizarea dispozitivelor inteligente (senzori și actuatori) la nivelul de câmp;
- posibilitatea de a organiza schimbul de informații direct între dispozitivele de câmp fără intervenția unui controler.
Inteligența dispozitivelor de câmp constă în posibilitatea de a încorpora algoritmi de control și procesare a informațiilor, care sunt realizate în mod tradițional în controler. În practică, aceasta permite sistemului să continue funcționarea chiar și în cazul defectării controlerului. Pentru aceasta este necesar ca dispozitivele de câmp să fie configurate corespunzător și să existe un sistem fiabil de alimentare cu energie a magistralei de câmp.
Beneficiile suplimentare aduse de digitalizarea sistemului de gestionare și utilizare a senzorilor inteligenți constau în capacitatea de a obține mai multe date, în afară de măsurători, de la fiecare dispozitiv de la nivelul câmpului, ceea ce, în cele din urmă, extinde domeniul de observare a procesului, care în sistemele analogice tradiționale este limitat de sistemul de intrare-ieșire a semnalelor.
Utilizarea unei topologii de bus în rețeaua H1 permite reducerea lungimii liniilor de cablare, a volumului de lucrări de montaj, renunțarea la utilizarea echipamentelor suplimentare în sistemele de control: module de intrare-ieșire, surse de alimentare, și în zonele cu risc de explozie – bariere de protecție împotriva scânteilor.
H1 permite utilizarea cablurilor de comunicație pentru senzori 4-20 mA, ceea ce poate fi folosit la modernizarea sistemelor vechi de control. Datorită aplicării principiilor de siguranță împotriva scânteilor, tehnologia este utilizată activ în medii periculoase. Standardizarea în sine garantează interoperabilitatea și compatibilitatea echipamentelor de la diverși producători, iar datorită dispozitivelor gateway este posibilă interconectarea rețelei de dispozitive de câmp cu rețelele de automatizare a proceselor industriale construite pe Ethernet.
Cea mai mare asemănare a Foundation Fieldbus H1 cu sistemele Profibus PA. Ambele tehnologii se bazează pe același standard de nivel fizic, prin urmare vitezele de transfer de date, utilizarea codificării manchester, parametrii electrici ai liniei de comunicație, puterea maximă transferabilă și lungimea maximă admisă a cablului într-un segment de rețea (1900 m) sunt identice. De asemenea, în ambele sisteme este posibilă utilizarea a până la 4 repeatoare, ceea ce permite lungimea segmentului să ajungă deja la 9,5 km. Topologiile de rețea posibile în sistemul de control sunt comune, precum și principiile de asigurare a siguranței împotriva scânteilor.
Componentele sistemului
Elementele de bază ale rețelei Foundation Fieldbus H1 sunt:
- controler al sistemului de control descentralizat (DCS);
- sursele de alimentare ale bus-ului de câmp;
- dispozitive de interconectare modulare sau blocuri;
- terminatoarele bus-ului;
- dispozitive de câmp inteligente.
De asemenea, în sistem pot exista dispozitive gateway (Linking Device), convertoare de protocoale, protecție împotriva supratensiunii și repetitoare.
Topologia rețelei
Un concept important în rețeaua H1 este cel de segment. Acesta reprezintă o linie principală de comunicație (Trunk), cu ramificații (Spur) care se conectează la dispozitivele de câmp. Cablul principal începe de la sursa de alimentare a autobuzului și se termină, de obicei, la ultimul dispozitiv de interfață. Pentru conexiunea dintre controler și dispozitivele de câmp sunt admise patru tipuri de topologie: punct-la-punct, buclă, autobuz și arbore. Fiecare segment poate fi construit atât prin utilizarea unei topologii separate, cât și prin utilizarea combinării acestora.
În cazul utilizării topologiei punct-la-punct, fiecare dispozitiv de câmp se conectează direct la controler. Astfel, fiecare dispozitiv de câmp conectat formează propriul segment de rețea. Această topologie se dovedește a fi incomodă, deoarece privează sistemul de aproape toate avantajele incluse în Foundation Fieldbus. Pe controler sunt utilizate prea multe interfețe, iar pentru alimentarea dispozitivelor de câmp din autobuzul de date pe fiecare linie de comunicație trebuie să existe propria sursă de alimentare a autobuzului de câmp. Lungimea liniilor de comunicație devine prea mare, iar schimbul de informații între dispozitive se realizează doar prin intermediul controlerului, ceea ce nu permite utilizarea principiului de înaltă fiabilitate a sistemelor H1.
Topologia buclei implică conectarea în serie a dispozitivelor de câmp între ele. Aici toate dispozitivele de câmp sunt grupate într-un singur segment, ceea ce permite utilizarea unor resurse mai mici. Totuși, această topologie are și dezavantaje – în primul rând, este necesar să se prevadă metode prin care defectarea unuia dintre senzorii intermediați să nu ducă la întreruperea comunicării cu celelalte. Un alt dezavantaj este explicat prin lipsa protecției împotriva scurtcircuitului în linia de comunicație, ceea ce va face imposibil schimbul de informații în segment.
Cele mai fiabile și practice două topologii de rețea sunt topologia pe bus și topologia în arbore, care au fost cele mai utilizate în practică în construcția rețelelor H1. Scopul acestor topologii este de a folosi dispozitive de interfațare pentru a conecta dispozitivele de teren la linia principală de comunicație. Dispozitivele de interfațare permit conectarea fiecărui dispozitiv de teren la propriul său interfață.
Parametrii rețelei
Întrebările importante în construirea rețelei H1 se referă la parametrii fizici ai acesteia – câte dispozitive de teren pot fi utilizate într-un segment, care este lungimea maximă a segmentului, care sunt lungimile posibile ale ramificațiilor. Răspunsul la aceste întrebări depinde de tipul de alimentare și consumul de energie al dispozitivelor de teren, iar pentru obiectele explozive – de metodele de asigurare a protecției împotriva scânteilor.
Numărul maxim de dispozitive de teren dintr-un segment (32) poate fi atins doar dacă acestea sunt alimentate de surse locale și nu există mijloace de asigurare a protecției împotriva scânteilor. Atunci când senzori și actuatori sunt alimentați de busul de date, numărul maxim de dispozitive poate fi de doar 12 sau mai puțin, în funcție de metodele de asigurare a protecției împotriva scânteilor.
Dependența numărului de dispozitive de teren de metoda de alimentare și de metodele de asigurare a protecției împotriva scânteilor.
Lungimea segmentului rețelei este determinată de tipul de cablu utilizat. Lungimea maximă de 1900 m se atinge utilizând cablu de tip A (pereche twistată cu ecran). Atunci când este utilizat cablu de tip D (cablu multiplă neîntreținut cu un ecran comun) – doar 200 m. Prin lungimea segmentului se înțelege suma lungimilor cablului principal și toate ramificațiile acestuia.
Dependența lungimii segmentului de tipul de cablu.
Lungimea ramificațiilor depinde de numărul de dispozitive din segmentul rețelei. Astfel, pentru un număr de dispozitive de până la 12 – aceasta este maximul de 120 m. Atunci când se utilizează în segment 32 de dispozitive, lungimea maximă a ramificațiilor nu va depăși 1 m. Atunci când dispozitivele de teren sunt conectate în serie, fiecare dispozitiv suplimentar reduce lungimea ramificației cu 30 m.
Dependența lungimii ramificațiilor de cablul principal de numărul de dispozitive de teren din segment.
Acești factori influențează direct structura și topologia sistemului. Pentru a accelera procesul de proiectare a rețelei, se folosesc complexe software specializate, precum DesignMate de la FieldComm Group sau Fieldbus Network Planner de la Phoenix Contact. Programele permit calcularea parametrilor fizici și electrici ai rețelei H1, având în vedere toate restricțiile posibile.
Scopul componentelor sistemului
Controler
Sarcina controller-ului include implementarea funcțiilor Planificatorului Activ de Legături (LAS) – dispozitivul principal care gestionează rețeaua prin trimiterea mesajelor de control. LAS inițiază schimbul de informații între participanții la rețea prin mesaje planificate (conform unui program) sau neplanificate, efectuează diagnosticare și sincronizare a tuturor dispozitivelor.
În plus, controller-ul este responsabil pentru adresarea automată a dispozitivelor de câmp, acționând 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 comunicație. Pentru nivelul superior al sistemului, controller-ul oferă funcții de monitorizare și control din partea operatorului, precum și funcții de configurare la distanță a dispozitivelor de câmp.
În rețea pot exista mai mulți Planificatori Activ de Legături, garantând rezervarea funcțiilor încorporate în acestea. În sistemele moderne, funcțiile LAS pot fi implementate în dispozitivul gateway, care îndeplinește rolul de convertor de protocoale pentru sistemele de control bazate pe un standard diferit de Foundation Fieldbus HSE.
Sursa de alimentare a bus-ului de câmp
Sistemul de alimentare în rețeaua H1 joacă un rol cheie, deoarece pentru posibilitatea de schimb informațional în cablul de transmisie a datelor trebuie să se mențină o tensiune între 9 și 32 V curent continuu. Indiferent dacă dispozitivele de câmp sunt alimentate de la bus-ul de transmisie a datelor sau de la surse de alimentare locale, rețeaua necesită surse de alimentare pentru bus.
Prin urmare, scopul principal al acestora este de a menține parametrii electrici necesari pe bus și de a alimenta dispozitivele conectate la rețea. Spre deosebire de sursele de alimentare obișnuite, sursele de alimentare pentru bus au un impedanță corespunzătoare a circuitului de ieșire la frecvențele de transfer de date. Dacă pentru alimentarea rețelei H1 se folosesc direct surse de alimentare de 12 sau 24 V, semnalul va fi pierdut, iar schimbul de informații pe bus va fi imposibil.
Sursele de alimentare rezervate pentru busul de câmp FB-PS (asamblea pentru 4 segmente).
Având în vedere importanța asigurării unei alimentări fiabile a busului, sursele de alimentare ale fiecărui segment al rețelei pot fi rezervate. Sursele de alimentare FB-PS de la Phoenix Contact suportă tehnologia de echilibrare automată a sarcinii de curent (Auto Current Balancing). ACB asigură o sarcină simetrică între sursele de alimentare, ceea ce îmbunătățește modul lor de temperatură și duce, în final, la o creștere a duratei de viață a acestora.
Sistemul de alimentare al rețelei H1 se află, de obicei, în dulapul controlerului.
Dispozitive de interfațare
Dispozitivele de interfațare sunt destinate conectării unui grup de dispozitive de câmp la bus-ul principal de transfer de date. În funcție de funcțiile îndeplinite, acestea sunt împărțite în două tipuri: module de protecție a segmentului (Segment Protectors) și bariere de câmp (Field Barriers).
Indiferent de tip, dispozitivele de interfațare protejează rețeaua de scurtcircuite și suprasarcină de curent în liniile de ieșire. Atunci când apare un scurtcircuit, dispozitivul de interfațare blochează portul interfeței, împiedicând scurtcircuitul să se răspândească în sistem și garantând astfel schimbul de informații între celelalte dispozitive ale rețelei. După eliminarea scurtcircuitului pe linie, portul de comunicație anterior blocat își reia funcționarea.
Barierele de câmp asigură, de asemenea, separație galvanică între circuitele neîntârziate de bus-ul principal și circuitele antiexplozii ale dispozitivelor de câmp conectate (branșamente).
Dispozitivele de interfațare fizică pot fi de două tipuri – modulare și în bloc. Dispozitivele de interfațare în bloc de tip FB-12SP, cu funcționalitate de protecție a segmentelor, permit utilizarea circuitelor sigure pentru interconectarea dispozitivelor de câmp în Zona 2, iar barierele de câmp FB-12SP ISO permit conectarea dispozitivelor în Zonele 1 și 0 folosind circuite sigure IA.
Dispozitivele de interfațare FB-12SP și FB-6SP de la Phoenix Contact.
Unul dintre avantajele dispozitivelor modulare este capacitatea de a scala sistemul, selectând numărul necesar de canale pentru conectarea dispozitivelor de câmp. În plus, dispozitivele modulare permit crearea unor structuri flexibile. Într-o singură dulap de distribuție, pot fi combinate module de protecție a segmentelor și bariere de câmp, permițând astfel conectarea dispozitivelor de câmp amplasate în diferite zone de pericol de explozie. Maxim 12 module bidirecționale FB-2SP sau module unidirecționale de bariere FB-ISO pot fi instalate pe un singur magistral, astfel conectând până la 24 de dispozitive de câmp în Zona 2 sau până la 12 senzori în Zonele 1 sau 0 dintr-un singur dulap.
Dispozitivele de interfațare pot funcționa într-un interval larg de temperaturi și sunt instalate în carcase protejate împotriva exploziei Ex e, Ex d cu un grad de protecție IP de cel puțin IP54, inclusiv cât mai aproape de obiectul de control.
Dispozitive de protecție împotriva supratensiunilor transitorii
Rețelele de nivel de câmp H1 pot forma segmente foarte lungi, iar liniile de comunicație pot trece prin locuri unde pot apărea supratensiuni. Supratensiunile se referă la diferența de potențial cauzată de descărcările electrice sau scurtcircuitele din cablurile adiacente. Tensiunea indusă, care ajunge la câțiva kilovolți, determină curentul de descărcare în kiloaamperi. Toate aceste fenomene durează câteva microsecunde, dar pot duce la defectarea componentelor rețelei H1. Pentru protejarea echipamentelor împotriva acestor fenomene, este necesară utilizarea UZIP. Folosirea UZIP în locul terminalelor de trecere obișnuite garantează funcționarea fiabilă și sigură a sistemului în condiții nefavorabile.
Principiul de funcționare se bazează pe utilizarea unui scurtcircuit quasi-scurt în intervalul de nanosecunde pentru trecerea curenților de descărcare în circuit, în care sunt utilizate elemente capabile să reziste trecerii curenților de această magnitudine.
Există o mare varietate de dispozitive de protecție împotriva supratensiunilor: uncanale, bicanel, cu conectori interschimbabili, cu diferite tipuri de diagnosticare – sub formă de blinkere, contact uscat. Produsele moderne de diagnosticare de la Phoenix Contact permit monitorizarea dispozitivelor de protecție împotriva supratensiunilor folosind servicii digitale bazate pe Ethernet. La fabrica companiei din Rusia sunt produse dispozitive certificate pentru utilizare în medii explozive, inclusiv în sistemele Foundation Fieldbus.
Terminarea magistralei
Terminarea îndeplinește două funcții în rețea – scurtcircuitează curentul magistralei câmpului, care apare ca urmare a modulării semnalului și împiedică reflexia semnalului de la capetele liniei de magistrală, prevenind astfel apariția zgomotului și jitter-ului (fluctuația fazei semnalului digital). Astfel, terminatorul ajută la evitarea apariției unor date inexacte în rețea sau la pierderea completă a acestora.
În fiecare segment al rețelei H1 este obligatoriul să existe două terminatoare, la fiecare capăt al segmentului. Sursele de alimentare ale magistralei și dispozitivele de interfațare Phoenix Contact sunt echipate cu terminatoare dezactivate. Prezența terminatoarelor suplimentare în rețea, de exemplu, ca urmare a unei erori, va reduce semnificativ nivelul semnalului în linia de interfață.
Schimbul de informații între segmente
Schimbul de informații între dispozitivele de câmp nu se limitează la un singur segment, ci este posibil între diferite părți ale rețelei, care pot fi conectate prin intermediul unui controler sau a unei rețele de întreprindere bazate pe Ethernet. În acest caz, poate fi utilizat protocolul Foundation Fieldbus HSE sau unul mai popular, cum ar fi Modbus TCP.
Pentru construirea rețelei HSE sunt utilizate comutatoare de tip industrial. Protocolul permite rezervare în inel. În acest caz, este important de reținut că în topologia în inel, comutatoarele trebuie să utilizeze unul dintre protocoalele de rezervare (RSTP, MRP sau Extended Ring Redundancy) în funcție de dimensiunea și timpul de convergență cerut al rețelei în caz de întrerupere a canalelor de comunicație.
Integrarea sistemelor bazate pe HSE cu sisteme externe este posibilă prin utilizarea tehnologiei HSE.
Metode de asigurare a siguranței la explozii
Pentru a crea un sistem rezistent la explozie, nu este suficient să ne bazăm doar pe caracteristicile de siguranță la explozie ale echipamentului și pe alegerea amplasării corecte a acestuia în obiectiv. În cadrul sistemului, fiecare dispozitiv nu funcționează singur, ci lucrează într-o rețea unificată. În rețelele Foundation Fieldbus H1, schimbul de informații între dispozitive situate în diferite zone de pericol de explozie nu se limitează la transmiterea de date, ci include și transferul de energie electrică. Cantitatea de energie acceptabilă într-o zonă poate fi inacceptabilă în alta. De aceea, pentru a evalua siguranța la explozie a rețelelor de câmp și pentru a alege cea mai bună metodă de asigurare a acesteia, se folosește o abordare sistemică. Printre aceste metode, cele mai răspândite sunt metodele de asigurare a siguranței prin interdicția de scânteie.
În ceea ce privește magistralele de câmp, în prezent există câteva metode de asigurare a siguranței prin interdicția de scânteie: metoda tradițională a barierelor de protecție împotriva scânteilor, conceptul FISCO și tehnologia High Power Trunk (HPT).
Prima dintre ele se bazează pe utilizarea barierelor de protecție împotriva scânteilor 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 dispozitivelor de câmp în zonele periculoase 0 și 1 la 80 mA. În acest caz, conform unei prognoze optimiste, este posibil să conectăm nu mai mult de 4 dispozitive de câmp pe un segment cu un consum de 20 mA, dar în practică nu mai mult de 2. În această situație, sistemul pierde toate avantajele existente în Foundation Fieldbus și, de fapt, duce la o topologie punct-la-punct, când pentru conectarea unui număr mare de dispozitive de câmp, sistemul trebuie să fie împărțit în mai multe segmente. De asemenea, această metodă limitează semnificativ lungimea cablului principal și a ramificațiilor.
Conceptul FISCO a fost dezvoltat de „Institutul Național de Metrologie din Germania” și a fost ulterior inclus în standardele IEC și mai apoi în GOST. Pentru a garanta siguranța la scânteie a rețelei de câmp, conceptul implică utilizarea de componente care respectă anumite restricții. Astfel de restricții sunt stabilite pentru sursele de alimentare în funcție de puterea de ieșire, pentru dispozitivele de câmp în funcție de puterea consumată și inductanță, pentru cabluri în funcție de rezistență, capacitate și inductanță. Aceste restricții sunt legate de faptul că elementele capacitive și inductive pot acumula energie, care în regim de avarie, în cazul deteriorării vreunui element al sistemului, poate fi eliberată și provoca un impuls electric. În plus, conceptul interzice utilizarea rezervării în sistemul de alimentare al magistralei.
FISCO oferă o magnitudine mai mare a curentului pentru alimentarea dispozitivelor din zone periculoase în comparație cu metoda barierelor de câmp. Aici sunt disponibile 115 mA, ceea ce permite alimentarea a 4-5 dispozitive într-un segment. Totuși, în acest caz există și restricții privind lungimea cablului magistral și a ramificațiilor.
Tehnologia High Power Trunk este în prezent cea mai răspândită tehnologie pentru asigurarea siguranței la scânteie în rețelele Foundation Fieldbus, deoarece nu are dezavantajele rețelelor protejate prin bare sau construite conform FISCO. Folosind HPT, a devenit posibilă atingerea valorii maxime a dispozitivelor de câmp din segmentul rețelei.
Tehnologia nu limitează parametrii electrici ai rețelei acolo unde nu este necesar, de exemplu, pe linia de comunicare magistrală, unde nu este necesară întreținerea și înlocuirea echipamentului. Pentru conectarea dispozitivelor de câmp situate în zone periculoase, se utilizează dispozitive de interfață cu funcționalitatea barierelor de câmp, care limitează parametrii electrici ai rețelei pentru alimentarea senzorilor și sunt plasate direct lângă obiectul de control. În acest caz, pe întreaga lungime a segmentului se folosește tipul de protecție la explozie Ex e (protecție sporită).
Sursa: habr.com
