Foundation Fieldbus je digitalni komunikacijski sistem, ki se uporablja v avtomatizaciji skupaj s Profibus, Modbus ali HART. Tehnologija se je pojavila nekoliko pozneje kot njeni konkurenti: prva izdaja standarda sega v leto 1996 in trenutno vključuje dva protokola za izmenjavo informacij med udeleženci omrežja - H1 in HSE (High Speed Ethernet).
Za izmenjavo informacij na nivoju senzorja in krmilnika se uporablja protokol H1, njegovo omrežje pa temelji na standardu fizične plasti IEC 61158-2 in omogoča hitrost prenosa podatkov 31,25 kbit/s. V tem primeru je mogoče poljske naprave napajati iz podatkovnega vodila. Omrežje HSE temelji na hitrih ethernet omrežjih (100/1000 Mbit/s) in se uporablja za izgradnjo omrežja avtomatiziranega sistema vodenja procesov na ravni krmilnikov in sistemov vodenja podjetja.
Tehnologija je uporabna pri gradnji avtomatiziranih sistemov za nadzor procesov za vse industrijske objekte, vendar je najbolj razširjena v podjetjih v naftni in plinski industriji ter kemični industriji.
Tehnološke zmogljivosti
Foundation Fieldbus je bil razvit kot alternativa tradicionalnemu modelu avtomatiziranih krmilnih sistemov, ki temeljijo na analognih senzorjih, in ima številne prednosti pred tradicionalnim modelom in digitalnimi sistemi, ki temeljijo na Profibus ali HART.
Ena od glavnih prednosti je visoka stopnja zanesljivosti in toleranca sistemov na napake H1, ki je dosežen zaradi dveh dejavnikov:
- uporaba inteligentnih naprav (senzorjev in aktuatorjev) na nivoju terena;
- zmožnost organiziranja izmenjave informacij neposredno med napravami na ravni polja brez sodelovanja krmilnika.
Inteligenca terenskih naprav je v zmožnosti implementacije algoritmov krmiljenja in obdelave informacij, ki so tradicionalno implementirani v krmilniku. V praksi to omogoča, da sistem še naprej deluje, tudi če krmilnik odpove. To zahteva, da so terenske naprave ustrezno konfigurirane in da je zagotovljeno zanesljivo napajanje fieldbus.
Dodatne prednosti, ki izhajajo iz digitalizacije krmilnega sistema in uporabe pametnih senzorjev, vključujejo zmožnost pridobivanja več podatkov poleg meritev iz vsake terenske naprave, s čimer se končno razširi obseg spremljanja procesa, ki je v tradicionalnih analognih sistemih omejen na vhodno/izhodni sistem signala. ..
Uporaba topologije vodila v omrežju H1 omogoča zmanjšanje dolžine kabelskih vodov, količino inštalacijskih del in odpravo uporabe dodatne opreme v krmilnih sistemih: vhodno-izhodnih modulih, napajalnikih in v nevarnih območjih - pregrade za zaščito pred iskrenjem.
H1 omogoča uporabo 4-20 mA senzorskih komunikacijskih kablov, ki se lahko uporabljajo pri nadgradnji starejših nadzornih sistemov. Zahvaljujoč uporabi principov notranje varnosti se tehnologija aktivno uporablja v eksplozivnih okoljih. Sama standardizacija zagotavlja medsebojno zamenljivost in združljivost opreme različnih proizvajalcev, zahvaljujoč prehodnim napravam pa je mogoče povezati omrežje terenskih naprav in omrežje industrijskih nadzornih sistemov podjetij, zgrajenih na Ethernetu.
Foundation Fieldbus H1 je najbolj podoben sistemom Profibus PA. Obe tehnologiji temeljita na istem standardu fizičnega sloja, zato imata sistema enake hitrosti prenosa podatkov, uporabo manchesterskega kodiranja, električne parametre komunikacijske linije, količino možne prenesene moči in največjo dovoljeno dolžino kabla v omrežju. odsek (1900 m). Prav tako je v obeh sistemih možna uporaba do 4 repetitorjev, zaradi česar lahko dolžina segmenta doseže že 9,5 km. Možne omrežne topologije v nadzornem sistemu, kot tudi načela za zagotavljanje intrinzične varnosti, so običajna.
Komponente sistema
Glavni elementi omrežja Foundation Fieldbus H1 so:
- krmilnik decentraliziranega nadzornega sistema (DCS);
- napajalniki fieldbus;
- blokovne ali modularne vmesniške naprave;
- vodilni terminatorji;
- inteligentne terenske naprave.
Sistem lahko vsebuje tudi prehodne naprave (povezovalne naprave), pretvornike protokolov, SPD-je in repetitorje.
Topologija omrežja
Pomemben koncept v omrežju H1 je koncept segmenta. Je glavni komunikacijski vod (Trunk), iz katerega se raztezajo odcepi (Spur), na katerega so priključene terenske naprave. Glavni kabel se začne pri viru napajanja vodila in običajno konča pri zadnji vmesniški napravi. Za komunikacijo med krmilnikom in terenskimi napravami so dovoljene štiri vrste topologije: točka-točka, zanka, vodilo in drevo. Vsak segment je mogoče zgraditi z uporabo ločene topologije ali z uporabo njihovih kombinacij.
S topologijo od točke do točke je vsaka terenska naprava povezana neposredno s krmilnikom. V tem primeru vsaka priključena terenska naprava tvori svoj segment omrežja. Ta topologija je neprijetna, ker sistem prikrajša za skoraj vse prednosti, ki so del Foundation Fieldbus. Na krmilniku je preveč vmesnikov in za napajanje terenskih naprav iz podatkovnega vodila mora imeti vsaka komunikacijska linija svoje napajanje field bus. Dolžina komunikacijskih linij se izkaže za predolgo, izmenjava informacij med napravami pa poteka samo prek krmilnika, kar ne omogoča uporabe načela visoke tolerance napak sistemov H1.
Topologija zanke pomeni serijsko povezavo terenskih naprav med seboj. Tu so vse terenske naprave združene v en segment, kar omogoča uporabo manj sredstev. Vendar ima ta topologija tudi slabosti - najprej je treba zagotoviti metode, pri katerih okvara enega od vmesnih senzorjev ne bo povzročila izgube komunikacije z drugimi. Druga pomanjkljivost je razložena s pomanjkanjem zaščite pred kratkim stikom v komunikacijski liniji, v kateri bo izmenjava informacij v segmentu nemogoča.
Največjo zanesljivost in praktičnost imata še dve omrežni topologiji - topologija vodila in drevesa, ki sta v praksi najbolj razširjeni pri gradnji omrežij H1. Ideja za temi topologijami je uporaba vmesniških naprav za povezavo terenskih naprav s hrbtenico. Naprave za priklop omogočajo, da se vsaka terenska naprava poveže z lastnim vmesnikom.
Omrežne nastavitve
Pomembna vprašanja pri gradnji omrežja H1 so njegovi fizični parametri – koliko terenskih naprav lahko uporabimo v segmentu, kakšna je največja dolžina segmenta, kako dolgi so lahko veje. Odgovor na ta vprašanja je odvisen od vrste napajanja in porabe energije terenskih naprav, za nevarna območja pa od načinov zagotavljanja lastne varnosti.
Največje število terenskih naprav v segmentu (32) je mogoče doseči le, če se napajajo iz lokalnih virov na lokaciji in če lastna varnost ni na voljo. Pri napajanju senzorjev in aktuatorjev iz podatkovnega vodila je lahko največje število naprav le 12 ali manj, odvisno od intrinzičnih varnostnih metod.
Odvisnost števila terenskih naprav od načina napajanja in načinov za zagotavljanje lastne varnosti.
Dolžina omrežnega segmenta je določena z vrsto uporabljenega kabla. Največja dolžina 1900 m je dosežena pri uporabi kabla tipa A (prepletena parica z oklopom). Pri uporabi kabla tipa D (ne zvit večžilni kabel s skupnim oklopom) - samo 200 m Dolžina segmenta se razume kot vsota dolžin glavnega kabla in vseh vej iz njega.
Odvisnost dolžine segmenta od vrste kabla.
Dolžina vej je odvisna od števila naprav v segmentu omrežja. Torej pri številu naprav do 12 je to največ 120 m Pri uporabi 32 naprav v segmentu bo največja dolžina vej le 1 m Pri povezovanju terenskih naprav z zanko se vsaka dodatna naprava zmanjša dolžino veje za 30 m.
Odvisnost dolžine vej od glavnega kabla od števila terenskih naprav v segmentu.
Vsi ti dejavniki neposredno vplivajo na strukturo in topologijo sistema. Za pospešitev procesa načrtovanja omrežja se uporabljajo posebni programski paketi, kot sta DesignMate iz FieldComm Group ali Fieldbus Network Planner iz Phoenix Contacta. Programi vam omogočajo izračun fizičnih in električnih parametrov omrežja H1 ob upoštevanju vseh možnih omejitev.
Namen komponent sistema
Krmilnik
Naloga krmilnika je izvajanje funkcij Link Active Scheduler (LAS), glavne naprave, ki upravlja omrežje s pošiljanjem servisnih sporočil. LAS sproži izmenjavo informacij med udeleženci omrežja z načrtovanimi (načrtovanimi) ali nenačrtovanimi sporočili, diagnosticira in sinhronizira vse naprave.
Poleg tega je krmilnik odgovoren za samodejno naslavljanje terenskih naprav in deluje kot prehodna naprava, ki zagotavlja vmesnik Ethernet za komunikacijo z zgornjo ravnjo nadzornega sistema, ki temelji na Foundation Fieldbus HSE ali drugem komunikacijskem protokolu. Krmilnik na najvišji ravni sistema zagotavlja funkcije nadzora in nadzora operaterja ter funkcije za oddaljeno konfiguracijo terenskih naprav.
V omrežju je lahko več razporejevalcev aktivnih povezav, ki zagotavljajo redundanco funkcij, vgrajenih v njih. V sodobnih sistemih je mogoče funkcije LAS implementirati v prehodno napravo, ki deluje kot pretvornik protokolov za nadzorne sisteme, zgrajene na standardu, ki ni Foundation Fieldbus HSE.
Fieldbus napajalniki
Napajalni sistem v omrežju H1 igra ključno vlogo, saj je za možno izmenjavo podatkov potrebno vzdrževati napetost v podatkovnem kablu v območju od 9 do 32 V DC. Ne glede na to, ali se terenske naprave napajajo iz podatkovnega vodila ali terenskih napajalnikov, omrežje potrebuje napajalnike vodila.
Zato je njihov glavni namen vzdrževanje zahtevanih električnih parametrov na vodilu, kot tudi napajanje naprav, povezanih v omrežje. Napajalniki vodila se od običajnih napajalnikov razlikujejo po tem, da imajo ustrezno impedanco izhodnega vezja pri frekvencah prenosa podatkov. Če za napajanje omrežja H1 neposredno uporabite napajalnike 12 ali 24 V, bo signal izgubljen in izmenjava informacij na vodilu ne bo mogoča.
Redundantni napajalniki fieldbus FB-PS (sklop za 4 segmente).
Glede na pomembnost zagotavljanja zanesljivega napajanja vodila so lahko napajalniki za vsak segment omrežja redundantni. Napajalniki Phoenix Contact FB-PS podpirajo tehnologijo Auto Current Balancing. ASV zagotavlja simetrično obremenitev med viri energije, kar ugodno vpliva na njihove temperaturne pogoje in na koncu vodi do podaljšanja njihove življenjske dobe.
Napajalni sistem H1 se običajno nahaja v omari krmilnika.
Vmesniške naprave
Naprave za spajanje so zasnovane za povezavo skupine terenskih naprav z glavnim podatkovnim vodilom. Glede na funkcije, ki jih opravljajo, jih delimo na dve vrsti: segmentne zaščitne module (Segment Protectors) in poljske pregrade (Field Barriers).
Ne glede na vrsto vmesniške naprave ščitijo omrežje pred kratkimi stiki in prevelikim tokom v odhodnih linijah. Ko pride do kratkega stika, vmesniška naprava blokira vmesniška vrata, s čimer prepreči širjenje kratkega stika po sistemu in tako zagotovi izmenjavo informacij med drugimi omrežnimi napravami. Po odpravi kratkega stika na liniji začnejo prej blokirana komunikacijska vrata ponovno delovati.
Terenske pregrade dodatno zagotavljajo galvansko ločitev med nelastnovarnimi tokokrogi glavnega vodila in lastnovarnimi tokokrogi povezanih terenskih naprav (vej).
Fizično so vmesniške naprave tudi dveh vrst - blokovne in modularne. Blokovne vmesniške naprave tipa FB-12SP s funkcijo zaščite segmentov vam omogočajo uporabo lastnovarnih vezij IC za povezovanje terenskih naprav v coni 2, FB-12SP ISO poljske pregrade pa vam omogočajo povezavo naprav v conah 1 in 0 z uporabo lastnovarnega IA vezja.
Spojniki FB-12SP in FB-6SP podjetja Phoenix Contact.
Ena od prednosti modularnih naprav je možnost skaliranja sistema z izbiro števila kanalov, potrebnih za povezavo terenskih naprav. Poleg tega modularne naprave omogočajo ustvarjanje fleksibilnih struktur. V eni razdelilni omari je možno združiti segmentne zaščitne module in poljske bariere, torej iz ene omare povezati terenske naprave, ki se nahajajo v različnih eksplozivno nevarnih conah. Skupno lahko na eno vodilo namestimo do 12 dvokanalnih FB-2SP modulov ali enokanalnih FB-ISO bariernih modulov in tako iz ene omare povežemo 24 terenskih naprav v Coni 2 ali do 12 senzorjev v Coni 1 oz. 0.
Vmesniške naprave lahko delujejo v širokem temperaturnem območju in so nameščene v protieksplozijsko varnih ohišjih Ex e, Ex d s stopnjo zaščite pred prahom in vlago najmanj IP54, tudi čim bližje nadzornemu objektu.
Naprave za prenapetostno zaščito
Omrežja na ravni polja H1 lahko tvorijo zelo dolge segmente, komunikacijske linije pa lahko potekajo na mestih, kjer so možni prenapetostni sunki. Impulzne prenapetosti razumemo kot inducirane potencialne razlike, ki jih povzročijo razelektritve strele ali kratki stiki v bližnjih kablovodih. Inducirana napetost, katere velikost je reda velikosti nekaj kilovoltov, povzroči pretok razelektritvenih tokov kiloamperov. Vsi ti pojavi se pojavijo v mikrosekundah, vendar lahko povzročijo okvaro omrežnih komponent H1. Za zaščito opreme pred takšnimi pojavi je treba uporabiti SPD. Uporaba SPD-jev namesto običajnih dovodnih priključkov zagotavlja zanesljivo in varno delovanje sistema v neugodnih pogojih.
Načelo njegovega delovanja temelji na uporabi kvazikratkega stika v nanosekundnem območju za pretok razelektritvenih tokov v vezju, ki uporablja elemente, ki lahko prenesejo pretok tokov takšne velikosti.
Obstaja veliko vrst SPD: enokanalni, dvokanalni, z zamenljivimi vtiči, z različnimi vrstami diagnostike - v obliki utripalke, suhega kontakta. Najsodobnejša diagnostična orodja podjetja Phoenix Contact vam omogočajo nadzor prenapetostnih zaščit z uporabo digitalnih storitev, ki temeljijo na Ethernetu. Tovarna podjetja v Rusiji proizvaja naprave, certificirane za uporabo v eksplozivnih okoljih, vključno s sistemi Foundation Fieldbus.
Avtobusni terminator
Terminator v omrežju opravlja dve funkciji - shuntira tok vodila fieldbus, ki nastane kot posledica modulacije signala in preprečuje odboj signala od koncev glavnega voda, s čimer preprečuje pojav šuma in tresenja (tresenje faze). digitalnega signala). Tako vam terminator omogoča, da se izognete pojavu netočnih podatkov v omrežju ali popolni izgubi podatkov.
Vsak segment omrežja H1 mora imeti dva terminatorja na vsakem koncu segmenta. Napajalniki in spojniki vodila Phoenix Contact so opremljeni s preklopnimi terminatorji. Prisotnost dodatnih terminatorjev v omrežju, na primer zaradi napake, bo znatno zmanjšala raven signala v vmesniški liniji.
Izmenjava informacij med segmenti
Izmenjava informacij med terenskimi napravami ni omejena na en segment, temveč je možna med različnimi odseki omrežja, ki jih je mogoče povezati preko krmilnika ali ethernetnega omrežja rastlin. V tem primeru je mogoče uporabiti protokol Foundation Fieldbus HSE ali bolj priljubljen, na primer Modbus TCP.
Pri izgradnji omrežja HSE se uporabljajo stikala industrijskega razreda. Protokol omogoča redundanco obročev. V tem primeru si velja zapomniti, da morajo v topologiji obroča stikala uporabljati enega od redundantnih protokolov (RSTP, MRP ali Extended Ring Redundancy), odvisno od velikosti in zahtevanega časa konvergence omrežja, ko so komunikacijski kanali prekinjeni.
Integracija sistemov, ki temeljijo na HSE, s sistemi drugih proizvajalcev je mogoča s tehnologijo OPC.
Protieksplozijske metode
Da bi ustvarili protieksplozijsko odporen sistem, ni dovolj, da se osredotočimo le na lastnosti opreme, ki so odporne proti eksploziji, in izbiro njene pravilne lokacije na mestu. Znotraj sistema vsaka naprava ne deluje sama zase, ampak deluje v enem omrežju. V omrežjih Foundation Fieldbus H1 izmenjava informacij med napravami, ki se nahajajo na različnih nevarnih območjih, ne vključuje samo prenosa podatkov, temveč tudi prenos električne energije. Količina energije, ki je bila sprejemljiva v enem območju, morda ni sprejemljiva v drugem. Zato se za oceno eksplozijske varnosti terenskih omrežij in izbiro optimalne metode za njeno zagotavljanje uporablja sistematičen pristop. Med temi metodami so najbolj razširjene metode zagotavljanja lastne varnosti.
Ko gre za fieldbuse, trenutno obstaja več načinov za doseganje lastne varnosti: tradicionalna metoda IS bariere, koncept FISCO in High Power Trunk Technology (HPT).
Prvi temelji na uporabi IS barier in izvaja preizkušen koncept, ki je bil uporabljen v krmilnih sistemih na osnovi analognih signalov 4-20 mA. Ta metoda je preprosta in zanesljiva, vendar omejuje napajanje terenskih naprav v nevarnih conah 0 in 1 na 80 mA. V tem primeru je po optimistični napovedi možno priključiti največ 4 terenske naprave na segment s porabo 20 mA, v praksi pa ne več kot 2. V tem primeru sistem izgubi vse prednosti, ki jih ima v Foundation Fieldbus in dejansko vodi do topologije od točke do točke, ko je za povezavo velikega števila terenskih naprav treba sistem razdeliti na veliko segmentov. Ta metoda tudi bistveno omejuje dolžino glavnega kabla in vej.
Koncept FISCO je razvil »Nacionalni meroslovni inštitut Nemčije« in je bil kasneje vključen v standarde IEC, nato pa v GOST. Da bi zagotovili notranjo varnost terenskega omrežja, koncept vključuje uporabo komponent, ki izpolnjujejo določene omejitve. Podobne omejitve so oblikovane za napajalnike glede izhodne moči, za terenske naprave glede porabe energije in induktivnosti, za kable glede upora, kapacitivnosti in induktivnosti. Takšne omejitve so posledica dejstva, da lahko kapacitivni in induktivni elementi kopičijo energijo, ki se lahko v zasilnem načinu, v primeru poškodbe katerega koli elementa sistema, sprosti in povzroči iskro. Poleg tega koncept prepoveduje uporabo redundance v napajalnem sistemu vodila.
FISCO zagotavlja večji tok za napajanje naprav v nevarnih območjih v primerjavi z metodo poljske bariere. Tukaj je na voljo 115 mA, s katerim lahko napajamo 4-5 naprav v segmentu. Vendar pa obstajajo tudi omejitve glede dolžine glavnega kabla in vej.
Tehnologija High Power Trunk je trenutno najpogostejša intrinzična varnostna tehnologija v omrežjih Foundation Fieldbus, ker nima slabosti, ki obstajajo v omrežjih, zaščitenih s pregradami, ali omrežjih FISCO. Z uporabo HPT je mogoče doseči omejitev terenskih naprav v segmentu omrežja.
Tehnologija ne omejuje električnih parametrov omrežja, kjer to ni potrebno, na primer na hrbtenični komunikacijski liniji, kjer ni potrebe po vzdrževanju in zamenjavi opreme. Za povezavo terenskih naprav, ki se nahajajo v eksplozivnem območju, se uporabljajo vmesniške naprave s funkcionalnostjo poljskih barier, ki omejujejo električne parametre omrežja za napajanje senzorjev in se nahajajo neposredno ob nadzornem objektu. V tem primeru je v celotnem segmentu uporabljen tip protieksplozijske zaščite Ex e (povečana zaščita).
Vir: www.habr.com