Foundation Fieldbus je digitálny komunikačný systém používaný v automatizácii spolu s Profibus, Modbus alebo HART. Táto technológia sa objavila o niečo neskôr ako jej konkurenti: prvé vydanie normy pochádza z roku 1996 a v súčasnosti obsahuje dva protokoly na výmenu informácií medzi účastníkmi siete - H1 a HSE (High Speed Ethernet).
Protokol H1 sa používa na výmenu informácií na úrovni snímača a riadiacej jednotky a jeho sieť je založená na štandarde fyzickej vrstvy IEC 61158-2, ktorý umožňuje rýchlosť prenosu dát 31,25 kbit/s. V tomto prípade je možné napájať poľné zariadenia z dátovej zbernice. Sieť HSE je založená na vysokorýchlostných ethernetových sieťach (100/1000 Mbit/s) a slúži na vybudovanie siete automatizovaného systému riadenia procesov na úrovni radičov a podnikových riadiacich systémov.
Technológia je použiteľná pri konštrukcii automatizovaných systémov riadenia procesov pre akékoľvek priemyselné zariadenia, ale najrozšírenejšia je v podnikoch v ropnom a plynárenskom priemysle a chemickom priemysle.
Technologické schopnosti
Foundation Fieldbus bol vyvinutý ako alternatíva k tradičnému modelu automatizovaných riadiacich systémov založených na analógových snímačoch a má množstvo výhod oproti tradičným modelom aj digitálnym systémom založeným na Profibus alebo HART.
Jednou z hlavných výhod je vysoký stupeň spoľahlivosti a chybovosti systémov H1, ktorý sa dosahuje vďaka dvom faktorom:
- používanie inteligentných zariadení (senzorov a akčných členov) na úrovni terénu;
- schopnosť organizovať výmenu informácií priamo medzi zariadeniami na úrovni terénu bez účasti kontrolóra.
Inteligencia poľných zariadení spočíva v schopnosti implementovať algoritmy riadenia a spracovania informácií, ktoré sú tradične implementované v regulátore. V praxi to umožňuje systému pokračovať v prevádzke, aj keď regulátor zlyhá. To si vyžaduje, aby boli prevádzkové zariadenia vhodne nakonfigurované a aby bolo zabezpečené spoľahlivé napájanie prevádzkovej zbernice.
Medzi ďalšie výhody vyplývajúce z digitalizácie riadiaceho systému a používania inteligentných senzorov patrí možnosť získať viac údajov nad rámec merania z každého terénneho zariadenia, čím sa v konečnom dôsledku rozširuje rozsah monitorovania procesov, ktoré je v tradičných analógových systémoch obmedzené na systém vstupu/výstupu signálu. ..
Použitie zbernicovej topológie v sieti H1 umožňuje znížiť dĺžku káblových vedení, množstvo inštalačných prác a eliminovať použitie prídavných zariadení v riadiacich systémoch: vstupno/výstupné moduly, napájacie zdroje a v nebezpečných priestoroch - bariéry na ochranu pred iskrami.
H1 umožňuje použitie komunikačných káblov snímačov 4-20 mA, ktoré možno použiť pri modernizácii starších riadiacich systémov. Vďaka využitiu princípov iskrovej bezpečnosti je technológia aktívne využívaná vo výbušnom prostredí. Samotná štandardizácia zaručuje zameniteľnosť a kompatibilitu zariadení od rôznych výrobcov a vďaka gateway zariadeniam je možné prepojiť sieť poľných zariadení a sieť priemyselných riadiacich systémov podnikov postavenú na Ethernete.
Foundation Fieldbus H1 sa najviac podobá systémom Profibus PA. Obe technológie sú založené na rovnakom štandarde fyzickej vrstvy, takže tieto systémy majú rovnaké rýchlosti prenosu dát, použitie kódovania Manchester, elektrické parametre komunikačnej linky, množstvo možného prenášaného výkonu a maximálnu povolenú dĺžku kábla v sieti. segment (1900 m). V oboch systémoch je tiež možné použiť až 4 opakovače, vďaka čomu môže dĺžka segmentu dosiahnuť už 9,5 km. Možné sieťové topológie v riadiacom systéme, ako aj zásady pre zaistenie iskrovej bezpečnosti sú bežné.
Systémové komponenty
Hlavné prvky siete Foundation Fieldbus H1 sú:
- regulátor decentralizovaného riadiaceho systému (DCS);
- Fieldbus napájacie zdroje;
- blokové alebo modulárne rozhrania;
- zakončovače zberníc;
- inteligentné poľné zariadenia.
Systém môže obsahovať aj zariadenia brány (Linking Device), prevodníky protokolov, SPD a opakovače.
Topológia siete
Dôležitým pojmom v sieti H1 je pojem segment. Je to hlavná komunikačná linka (Trunk), z ktorej vychádzajú vetvy (Spur), na ktorú sú pripojené poľné zariadenia. Hlavný kábel začína na zdroji napájania zbernice a zvyčajne končí na poslednom zariadení rozhrania. Pre komunikáciu medzi kontrolérom a poľnými zariadeniami sú povolené štyri typy topológie: point-to-point, slučka, zbernica a strom. Každý segment môže byť vybudovaný buď pomocou samostatnej topológie alebo pomocou ich kombinácií.
Pri topológii point-to-point je každé poľné zariadenie pripojené priamo k riadiacej jednotke. V tomto prípade každé pripojené prevádzkové zariadenie tvorí svoj vlastný sieťový segment. Táto topológia je nepohodlná, pretože zbavuje systém takmer všetkých výhod, ktoré má Foundation Fieldbus. Na riadiacej jednotke je príliš veľa rozhraní a na napájanie prevádzkových zariadení z dátovej zbernice musí mať každá komunikačná linka svoj vlastný napájací zdroj prevádzkovej zbernice. Dĺžka komunikačných liniek sa ukazuje ako príliš dlhá a výmena informácií medzi zariadeniami prebieha iba cez ovládač, čo neumožňuje využiť princíp vysokej odolnosti systémov H1.
Topológia slučky zahŕňa sériové prepojenie zariadení v teréne navzájom. Tu sú všetky terénne zariadenia spojené do jedného segmentu, čo umožňuje využitie menšieho množstva zdrojov. Táto topológia má však aj nevýhody – v prvom rade je potrebné zabezpečiť metódy, pri ktorých výpadok jedného z medziľahlých senzorov nepovedie k strate komunikácie s ostatnými. Ďalšia nevýhoda sa vysvetľuje nedostatočnou ochranou proti skratu v komunikačnej linke, pri ktorej nebude výmena informácií v segmente možná.
Najväčšiu spoľahlivosť a praktickosť majú dve ďalšie sieťové topológie – zbernicová a stromová topológia, ktoré našli v praxi najväčšie rozšírenie pri budovaní H1 sietí. Myšlienkou týchto topológií je použitie zariadení rozhrania na pripojenie poľných zariadení k chrbticovej sieti. Spojovacie zariadenia umožňujú pripojenie každého prevádzkového zariadenia k jeho vlastnému rozhraniu.
Nastavenia siete
Dôležitými otázkami pri budovaní siete H1 sú jej fyzikálne parametre – koľko terénnych zariadení je možné použiť v segmente, aká je maximálna dĺžka segmentu, ako dlhé môžu byť vetvy. Odpoveď na tieto otázky závisí od typu napájania a spotreby energie poľných zariadení a v prípade nebezpečných oblastí od metód na zaistenie iskrovej bezpečnosti.
Maximálny počet prevádzkových zariadení v segmente (32) je možné dosiahnuť iba vtedy, ak sú napájané z miestnych zdrojov na mieste a ak nie je k dispozícii vlastná bezpečnosť. Pri napájaní snímačov a akčných členov z dátovej zbernice môže byť maximálny počet zariadení iba 12 alebo menej v závislosti od metód iskrovej bezpečnosti.
Závislosť počtu prevádzkových zariadení od spôsobu napájania a spôsobov zaistenia iskrovej bezpečnosti.
Dĺžka segmentu siete je určená typom použitého kábla. Maximálna dĺžka 1900 m je dosiahnutá pri použití kábla typu A (krútený pár s tienením). Pri použití kábla typu D (nie skrútený viacžilový kábel so spoločným tienením) - len 200 m Dĺžka segmentu sa chápe ako súčet dĺžok hlavného kábla a všetkých vetiev z neho.
Závislosť dĺžky segmentu od typu kábla.
Dĺžka pobočiek závisí od počtu zariadení v segmente siete. Čiže pri počte zariadení do 12 je to maximálne 120 m.Pri použití 32 zariadení v segmente bude maximálna dĺžka vetiev len 1 m.Pri pripojení poľných zariadení slučkou každé ďalšie zariadenie skracuje dĺžku vetvy o 30 m.
Závislosť dĺžky vetiev z hlavného kábla od počtu poľných zariadení v segmente.
Všetky tieto faktory priamo ovplyvňujú štruktúru a topológiu systému. Na urýchlenie procesu návrhu siete sa používajú špeciálne softvérové balíky, ako napríklad DesignMate od FieldComm Group alebo Fieldbus Network Planner od Phoenix Contact. Programy umožňujú vypočítať fyzické a elektrické parametre siete H1, berúc do úvahy všetky možné obmedzenia.
Účel komponentov systému
kontrolór
Úlohou regulátora je implementovať funkcie Link Active Scheduler (LAS), hlavného zariadenia, ktoré spravuje sieť posielaním servisných správ. LAS iniciuje výmenu informácií medzi účastníkmi siete s plánovanými (plánovanými) alebo neplánovanými správami, diagnostikuje a synchronizuje všetky zariadenia.
Okrem toho je kontrolér zodpovedný za automatické adresovanie prevádzkových zariadení a funguje ako zariadenie brány, ktoré poskytuje ethernetové rozhranie na komunikáciu s vyššou úrovňou riadiaceho systému na báze Foundation Fieldbus HSE alebo iného komunikačného protokolu. Na najvyššej úrovni systému poskytuje regulátor funkcie monitorovania a riadenia operátora, ako aj funkcie pre vzdialenú konfiguráciu zariadení v teréne.
V sieti môže byť niekoľko Active Link Schedulers, ktoré zaručujú redundanciu funkcií, ktoré sú v nich zabudované. V moderných systémoch môžu byť funkcie LAS implementované v zariadení brány, ktoré funguje ako prevodník protokolov pre riadiace systémy postavené na inom štandarde ako Foundation Fieldbus HSE.
Napájacie zdroje Fieldbus
Systém napájania v sieti H1 hrá kľúčovú úlohu, pretože pre umožnenie výmeny dát je potrebné udržiavať napätie v dátovom kábli v rozsahu 9 až 32 V DC. Či už sú poľné zariadenia napájané dátovou zbernicou alebo poľnými zdrojmi napájania, sieť vyžaduje napájanie zbernice.
Preto je ich hlavným účelom udržiavanie požadovaných elektrických parametrov na zbernici, ako aj napájanie zariadení pripojených do siete. Zbernicové napájacie zdroje sa líšia od bežných napájacích zdrojov tým, že majú zodpovedajúcu impedanciu výstupného obvodu pri frekvenciách prenosu dát. Ak na napájanie siete H1 použijete priamo 12 alebo 24 V napájacie zdroje, signál sa stratí a výmena informácií na zbernici nebude možná.
Redundantné napájacie zdroje fieldbus FB-PS (zostava pre 4 segmenty).
Vzhľadom na dôležitosť poskytovania spoľahlivého napájania zbernice môžu byť napájacie zdroje pre každý segment siete redundantné. Napájacie zdroje Phoenix Contact FB-PS podporujú technológiu automatického vyvažovania prúdu. ASV zabezpečuje symetrické zaťaženie medzi zdrojmi energie, čo má priaznivý vplyv na ich teplotné podmienky a v konečnom dôsledku vedie k zvýšeniu ich životnosti.
Napájací systém H1 sa zvyčajne nachádza v skrini regulátora.
Zariadenia rozhrania
Spojovacie zariadenia sú určené na pripojenie skupiny poľných zariadení k hlavnej dátovej zbernici. Na základe funkcií, ktoré plnia, sú rozdelené do dvoch typov: moduly ochrany segmentov (Segment Protectors) a poľné bariéry (Field Barriers).
Bez ohľadu na typ zariadenia rozhrania chránia sieť pred skratmi a nadprúdmi vo výstupných vedeniach. Keď dôjde ku skratu, zariadenie rozhrania zablokuje port rozhrania, čím sa zabráni šíreniu skratu v celom systéme, čím sa zaručí výmena informácií medzi inými sieťovými zariadeniami. Po odstránení skratu na linke začne opäť fungovať predtým zablokovaný komunikačný port.
Poľné bariéry dodatočne poskytujú galvanickú izoláciu medzi neistovými okruhmi hlavnej zbernice a iskrovo bezpečnými okruhmi pripojených poľných zariadení (vetev).
Fyzicky sú zariadenia rozhrania tiež dvoch typov - blokové a modulárne. Zariadenia s blokovým rozhraním typu FB-12SP s funkciou ochrany segmentov vám umožňujú použiť iskrovo bezpečné obvody IC na pripojenie poľných zariadení v zóne 2 a poľné bariéry FB-12SP ISO vám umožňujú pripojiť zariadenia v zónach 1 a 0 pomocou iskrovo bezpečného IA obvodov.
Spojky FB-12SP a FB-6SP od spoločnosti Phoenix Contact.
Jednou z výhod modulárnych zariadení je schopnosť škálovať systém výberom počtu kanálov potrebných na pripojenie zariadení v teréne. Modulárne zariadenia navyše umožňujú vytváranie flexibilných štruktúr. V jednej rozvodnej skrini je možné kombinovať moduly segmentovej ochrany a poľné bariéry, to znamená pripojiť poľné zariadenia umiestnené v rôznych zónach s nebezpečenstvom výbuchu z jednej skrine. Celkovo možno na jednu zbernicu nainštalovať až 12 dvojkanálových modulov FB-2SP alebo jednokanálových bariérových modulov FB-ISO, čím sa z jednej skrinky pripojí 24 poľných zariadení v zóne 2 alebo až 12 snímačov v zóne 1 resp. 0.
Zariadenia rozhrania môžu byť prevádzkované v širokom rozsahu teplôt a sú inštalované v nevýbušných krytoch Ex e, Ex d so stupňom ochrany proti prachu a vlhkosti minimálne IP54, vrátane čo najbližšie k riadiacemu objektu.
Zariadenia na ochranu proti prepätiu
Siete na úrovni poľa H1 môžu tvoriť veľmi dlhé segmenty a komunikačné linky môžu prebiehať v miestach, kde sú možné prepätia. Impulznými prepätiami sa rozumejú indukované potenciálne rozdiely spôsobené výbojmi blesku alebo skratmi v blízkych káblových vedeniach. Indukované napätie, ktorého veľkosť je rádovo niekoľko kilovoltov, spôsobuje tok výbojových prúdov kiloampérov. Všetky tieto javy sa vyskytujú v priebehu mikrosekúnd, ale môžu viesť k zlyhaniu komponentov siete H1. Na ochranu zariadenia pred takýmito javmi je potrebné použiť SPD. Použitie SPD namiesto bežných priechodných svoriek zaručuje spoľahlivú a bezpečnú prevádzku systému v nepriaznivých podmienkach.
Princíp jeho činnosti je založený na použití kvázi skratu v rozsahu nanosekúnd na tok výbojových prúdov v obvode, ktorý využíva prvky, ktoré znesú tok prúdov takejto veľkosti.
Existuje veľké množstvo typov SPD: jednokanálové, dvojkanálové, s vymeniteľnými zástrčkami, s rôznymi typmi diagnostiky - vo forme blikača, suchého kontaktu. Najmodernejšie diagnostické nástroje od spoločnosti Phoenix Contact vám umožňujú monitorovať prepäťové ochrany pomocou digitálnych služieb na báze Ethernetu. Závod spoločnosti v Rusku vyrába zariadenia certifikované na použitie vo výbušnom prostredí, vrátane systémov Foundation Fieldbus.
Terminátor zbernice
Terminátor plní v sieti dve funkcie - odvádza prúd poľnej zbernice, ktorý vzniká v dôsledku modulácie signálu a zabraňuje odrazu signálu od koncov hlavného vedenia, čím zabraňuje vzniku šumu a jitteru (fázový jitter digitálneho signálu). Terminátor vám teda umožňuje vyhnúť sa výskytu nepresných údajov v sieti alebo úplnej strate údajov.
Každý segment siete H1 musí mať dva terminátory na každom konci segmentu. Napájacie zdroje a spojky zbernice Phoenix Contact sú vybavené prepínateľnými terminátormi. Prítomnosť dodatočných terminátorov v sieti, napríklad v dôsledku chyby, výrazne zníži úroveň signálu v linke rozhrania.
Výmena informácií medzi segmentmi
Výmena informácií medzi poľnými zariadeniami nie je obmedzená na jeden segment, ale je možná medzi rôznymi časťami siete, ktoré môžu byť prepojené cez kontrolér alebo podnikovú sieť založenú na Ethernete. V tomto prípade je možné použiť protokol Foundation Fieldbus HSE alebo populárnejší protokol, napríklad Modbus TCP.
Pri budovaní HSE siete sa používajú prepínače priemyselnej kvality. Protokol umožňuje redundanciu zvonenia. V tomto prípade je potrebné pripomenúť, že v kruhovej topológii musia prepínače používať jeden z redundantných protokolov (RSTP, MRP alebo Extended Ring Redundancy) v závislosti od veľkosti a požadovaného času konvergencie siete, keď sú komunikačné kanály prerušené.
Integrácia systémov na báze HSE so systémami tretích strán je možná pomocou technológie OPC.
Metódy odolné voči výbuchu
Na vytvorenie systému odolného proti výbuchu nestačí riadiť sa iba vlastnosťami zariadenia v nevýbušnom prostredí a výberom jeho správneho umiestnenia na mieste. V rámci systému každé zariadenie nefunguje samostatne, ale funguje v rámci jednej siete. V sieťach Foundation Fieldbus H1 výmena informácií medzi zariadeniami umiestnenými v rôznych nebezpečných oblastiach zahŕňa nielen prenos údajov, ale aj prenos elektrickej energie. Množstvo energie, ktoré bolo prijateľné v jednej zóne, nemusí byť prijateľné v inej. Preto sa na posúdenie výbuchovej bezpečnosti poľných sietí a výber optimálnej metódy na jej zabezpečenie používa systematický prístup. Spomedzi týchto metód sú najpoužívanejšie metódy na zaistenie vnútornej bezpečnosti.
Pokiaľ ide o priemyselné zbernice, v súčasnosti existuje niekoľko spôsobov, ako dosiahnuť vnútornú bezpečnosť: tradičná bariérová metóda IS, koncept FISCO a technológia High Power Trunk Technology (HPT).
Prvý je založený na použití bariér IS a implementuje osvedčený koncept, ktorý bol použitý v riadiacich systémoch založených na analógových signáloch 4-20 mA. Táto metóda je jednoduchá a spoľahlivá, ale obmedzuje napájanie zariadení v teréne v nebezpečných zónach 0 a 1 až 80 mA. V tomto prípade je podľa optimistickej predpovede možné pripojiť najviac 4 terénne zariadenia na segment so spotrebou 20 mA, ale v praxi nie viac ako 2. V tomto prípade systém stráca všetky výhody, ktoré existujú v Foundation Fieldbus a vlastne vedie k topológii point-to-point, kedy na pripojenie veľkého množstva poľných zariadení musí byť systém rozdelený do mnohých segmentov. Táto metóda tiež výrazne obmedzuje dĺžku hlavného kábla a vetiev.
Koncept FISCO vyvinul „Národný metrologický inštitút Nemecka“ a neskôr bol zahrnutý do noriem IEC a potom do GOST. Aby sa zabezpečila vlastná bezpečnosť poľnej siete, koncept zahŕňa použitie komponentov, ktoré spĺňajú určité obmedzenia. Podobné obmedzenia sú formulované pre napájacie zdroje z hľadiska výstupného výkonu, pre zariadenia v teréne z hľadiska spotreby energie a indukčnosti, pre káble z hľadiska odporu, kapacity a indukčnosti. Takéto obmedzenia sú spôsobené tým, že kapacitné a indukčné prvky môžu akumulovať energiu, ktorá sa v núdzovom režime v prípade poškodenia ktoréhokoľvek prvku systému môže uvoľniť a spôsobiť iskrový výboj. Okrem toho koncepcia zakazuje použitie redundancie v napájacom systéme zbernice.
FISCO poskytuje väčší prúd pre napájanie zariadení v nebezpečných oblastiach v porovnaní s metódou poľnej bariéry. K dispozícii je tu 115 mA, ktorým je možné napájať 4-5 zariadení v segmente. Existujú však aj obmedzenia týkajúce sa dĺžky hlavného kábla a vetiev.
Technológia High Power Trunk je v súčasnosti najbežnejšou technológiou vnútornej bezpečnosti v sieťach Foundation Fieldbus, pretože nemá nevýhody, ktoré existujú v sieťach chránených bariérou alebo FISCO. S použitím HPT je možné dosiahnuť limit poľných zariadení v segmente siete.
Technológia neobmedzuje elektrické parametre siete tam, kde to nie je potrebné, napríklad na chrbticovej komunikačnej linke, kde nie je potrebná údržba a výmena zariadení. Na pripojenie poľných zariadení umiestnených vo výbušnej zóne slúžia interfejsové zariadenia s funkcionalitou poľných bariér, ktoré obmedzujú elektrické parametre siete pre napájanie snímačov a sú umiestnené priamo pri riadiacom objekte. V tomto prípade sa v celom segmente používa typ ochrany proti výbuchu Ex e (zvýšená ochrana).
Zdroj: hab.com