Foundation Fieldbus är ett digitalt kommunikationssystem som används inom automation tillsammans med Profibus, Modbus eller HART. Tekniken dök upp något senare än sina konkurrenter: den första upplagan av standarden går tillbaka till 1996 och innehåller för närvarande två protokoll för informationsutbyte mellan nätverksdeltagare - H1 och HSE (High Speed Ethernet).
H1-protokollet används för informationsutbyte på sensor- och styrenhetsnivå, och dess nätverk är baserat på IEC 61158-2 fysiska lagerstandarden, vilket tillåter en dataöverföringshastighet på 31,25 kbit/s. I detta fall är det möjligt att mata ström till fältenheter från databussen. HSE-nätverket är baserat på höghastighets-Ethernet-nätverk (100/1000 Mbit/s) och används för att bygga ett automatiserat nätverk för processtyrningssystem på nivå med kontroller och företagsledningssystem.
Tekniken är användbar vid konstruktion av automatiserade processtyrningssystem för alla industrianläggningar, men den är mest utbredd i företag inom olje- och gasindustrin och den kemiska industrin.
Tekniska möjligheter
Foundation Fieldbus utvecklades som ett alternativ till den traditionella modellen av automatiserade styrsystem baserade på analoga sensorer och har en rad fördelar jämfört med både den traditionella modellen och digitala system baserade på Profibus eller HART.
En av de främsta fördelarna är den höga graden av tillförlitlighet och feltolerans hos systemen H1, vilket uppnås på grund av två faktorer:
- användning av intelligenta enheter (sensorer och ställdon) på fältnivå;
- möjligheten att organisera informationsutbyte direkt mellan enheter på fältnivå utan medverkan av en kontrollant.
Fältenheternas intelligens ligger i förmågan att implementera styr- och informationsbehandlingsalgoritmer som traditionellt är implementerade i styrenheten. I praktiken gör detta att systemet kan fortsätta att fungera även om styrenheten misslyckas. Detta kräver att fältenheterna konfigureras på lämpligt sätt och att en tillförlitlig fältbussströmförsörjning tillhandahålls.
Ytterligare fördelar som härrör från digitalisering av styrsystemet och användningen av smarta sensorer inkluderar möjligheten att erhålla mer data utöver mätning från varje fältenhet, vilket i slutändan utökar omfattningen av processövervakning som i traditionella analoga system är begränsad till signalingångs-/utgångssystemet ...
Användningen av busstopologi i H1-nätverket gör det möjligt att minska längden på kabelledningar, mängden installationsarbete och eliminera användningen av ytterligare utrustning i styrsystem: ingångs-/utgångsmoduler, strömförsörjning och i riskområden - gnistskyddsbarriärer.
H1 tillåter användning av 4-20 mA sensorkommunikationskablar, som kan användas vid uppgradering av äldre styrsystem. Tack vare användningen av egensäkerhetsprinciper används tekniken aktivt i explosiva miljöer. Standardiseringen i sig garanterar utbytbarhet och kompatibilitet för utrustning från olika tillverkare, och tack vare gateway-enheter är det möjligt att gränssnitta ett nätverk av fältenheter och ett industriellt kontrollsystem nätverk av företag byggt på Ethernet.
Foundation Fieldbus H1 liknar mest Profibus PA-system. Båda teknologierna är baserade på samma fysiska lagerstandard, så dessa system har samma dataöverföringshastigheter, användningen av Manchester-kodning, elektriska parametrar för kommunikationslinjen, mängden möjlig sänd effekt och den maximala tillåtna kabellängden i ett nätverk segment (1900 m). I båda systemen är det också möjligt att använda upp till 4 repeatrar, på grund av vilka segmentlängden redan kan nå 9,5 km. Möjliga nätverkstopologier i styrsystemet, liksom principer för att säkerställa egensäkerhet, är vanliga.
Systemkomponenter
Huvuddelarna i Foundation Fieldbus H1-nätverket är:
- styrenhet för decentraliserat styrsystem (DCS);
- fältbuss strömförsörjning;
- block eller modulära gränssnittsenheter;
- bussterminatorer;
- intelligenta fältenheter.
Systemet kan också innehålla gateway-enheter (Linking Device), protokollomvandlare, SPD:er och repeaters.
Nätverks topologi
Ett viktigt begrepp i H1-nätverket är begreppet segment. Det är en huvudkommunikationslinje (Trunk), med grenar som sträcker sig från den (Spur), till vilken fältenheter är anslutna. Trunkkabeln börjar vid bussens strömkälla och slutar vanligtvis vid den sista gränssnittsenheten. Fyra typer av topologi är tillåtna för kommunikation mellan styrenheten och fältenheterna: punkt-till-punkt, loop, buss och träd. Varje segment kan byggas antingen med en separat topologi eller med deras kombinationer.
Med en punkt-till-punkt-topologi är varje fältenhet ansluten direkt till styrenheten. I detta fall bildar varje ansluten fältenhet sitt eget nätverkssegment. Denna topologi är obekväm eftersom den berövar systemet nästan alla fördelar som är inneboende i Foundation Fieldbus. Det finns för många gränssnitt på styrenheten, och för att driva fältenheter från databussen måste varje kommunikationslinje ha sin egen fältbussströmförsörjning. Längden på kommunikationslinjerna visar sig vara för lång, och informationsutbyte mellan enheter utförs endast genom styrenheten, vilket inte tillåter användning av principen om hög feltolerans för H1-system.
Slingtopologin innebär en seriekoppling av fältenheter till varandra. Här kombineras alla fältenheter till ett segment, vilket möjliggör användning av färre resurser. Denna topologi har emellertid också nackdelar - först och främst är det nödvändigt att tillhandahålla metoder där fel på en av de mellanliggande sensorerna inte kommer att leda till förlust av kommunikation med de andra. En annan nackdel förklaras av bristen på skydd mot kortslutning i kommunikationslinjen, där informationsutbyte i segmentet kommer att vara omöjligt.
Två andra nätverkstopologier har störst tillförlitlighet och funktionalitet - buss- och trädtopologi, som har funnit den största spridningen i praktiken när man bygger H1-nätverk. Tanken bakom dessa topologier är att använda gränssnittsenheter för att ansluta fältenheter till ryggraden. Kopplingsenheter gör att varje fältenhet kan anslutas till sitt eget gränssnitt.
Nätverksinställningar
Viktiga frågor när man bygger ett H1-nätverk är dess fysiska parametrar - hur många fältenheter kan användas i ett segment, vad är den maximala längden på ett segment, hur långa kan grenarna vara. Svaret på dessa frågor beror på typen av strömförsörjning och energiförbrukning för fältenheterna, och för riskområden, metoderna för att säkerställa egensäkerhet.
Det maximala antalet fältenheter i ett segment (32) kan endast uppnås om de drivs från lokala källor på plats och om egensäkerhet inte är tillgänglig. När sensorer och ställdon strömförsörjs från databussen kan det maximala antalet enheter endast vara 12 eller färre beroende på egensäkerhetsmetoder.
Beroende av antalet fältenheter på strömförsörjningsmetoden och metoder för att säkerställa egensäkerhet.
Längden på nätverkssegmentet bestäms av vilken typ av kabel som används. Den maximala längden på 1900 m uppnås vid användning av kabel av typ A (tvinnad par med skärm). Vid användning av kabeltyp D (ej tvinnad flerkärnig kabel med gemensam skärm) - endast 200 m. Längden på ett segment förstås som summan av huvudkabelns längder och alla grenar från den.
Beroende av segmentlängd på kabeltyp.
Längden på grenarna beror på antalet enheter i nätverkssegmentet. Så, med antalet enheter upp till 12, är detta maximalt 120 m. När du använder 32 enheter i ett segment blir den maximala längden på grenarna endast 1 m. Vid anslutning av fältenheter med en slinga, varje ytterligare enhet minskar grenens längd med 30 m.
Beroende av längden på grenarna från huvudkabeln på antalet fältenheter i segmentet.
Alla dessa faktorer påverkar direkt systemets struktur och topologi. För att påskynda nätverksdesignprocessen används speciella mjukvarupaket, såsom DesignMate från FieldComm Group eller Fieldbus Network Planner från Phoenix Contact. Programmen låter dig beräkna de fysiska och elektriska parametrarna för H1-nätverket, med hänsyn till alla möjliga begränsningar.
Syfte med systemkomponenter
Kontroller
Regulatorns uppgift är att implementera funktionerna i Link Active Scheduler (LAS), huvudenheten som hanterar nätverket genom att skicka servicemeddelanden. LAS initierar informationsutbyte mellan nätverksdeltagare med planerade (schemalagda) eller oplanerade meddelanden, diagnostiserar och synkroniserar alla enheter.
Dessutom är regulatorn ansvarig för automatisk adressering av fältenheter och fungerar som en gateway-enhet, som tillhandahåller ett Ethernet-gränssnitt för kommunikation med den övre nivån av styrsystemet baserat på Foundation Fieldbus HSE eller annat kommunikationsprotokoll. På den översta nivån av systemet tillhandahåller styrenheten operatörsövervakning och kontrollfunktioner, samt funktioner för fjärrkonfigurering av fältenheter.
Det kan finnas flera Active Link Schedulers i nätverket, vilket garanterar redundansen för de funktioner som är inbäddade i dem. I moderna system kan LAS-funktioner implementeras i en gateway-enhet som fungerar som en protokollomvandlare för styrsystem byggda på en annan standard än Foundation Fieldbus HSE.
Fältbuss strömförsörjning
Strömförsörjningssystemet i H1-nätverket spelar en nyckelroll, eftersom för att datautbytet ska vara möjligt måste spänningen i datakabeln hållas i området 9 till 32 V DC. Oavsett om fältenheter drivs av databussen eller av fältströmförsörjning, kräver nätverket bussströmförsörjning.
Därför är deras huvudsakliga syfte att upprätthålla de nödvändiga elektriska parametrarna på bussen, samt driva enheterna som är anslutna till nätverket. Bussströmkällor skiljer sig från konventionella strömförsörjningar genom att de har en motsvarande utgångskretsimpedans vid dataöverföringsfrekvenser. Om du direkt använder 1 eller 12 V strömförsörjning för att driva H24-nätverket, kommer signalen att gå förlorad och informationsutbyte på bussen kommer inte att vara möjligt.
Redundanta fältbussströmförsörjningar FB-PS (sammansättning för 4 segment).
Med tanke på vikten av att tillhandahålla pålitlig busskraft kan strömförsörjningen för varje nätverkssegment vara redundant. Phoenix Contact FB-PS strömförsörjning stödjer Auto Current Balancing-teknologi. ASV ger en symmetrisk belastning mellan kraftkällor, vilket har en gynnsam effekt på deras temperaturförhållanden och i slutändan leder till en ökad livslängd.
H1-strömförsörjningssystemet är vanligtvis placerat i styrskåpet.
Gränssnittsenheter
Kopplingsenheter är utformade för att ansluta en grupp fältenheter till huvuddatabussen. Baserat på de funktioner de utför är de indelade i två typer: segmentskyddsmoduler (Segment Protectors) och fältbarriärer (Fältbarriärer).
Oavsett typ skyddar gränssnittsenheter nätverket från kortslutningar och överströmmar i utgående linjer. När en kortslutning inträffar blockerar gränssnittsenheten gränssnittsporten, vilket förhindrar att kortslutningen sprids i hela systemet och garanterar därmed informationsutbyte mellan andra nätverksenheter. Efter att ha eliminerat kortslutningen på linjen börjar den tidigare blockerade kommunikationsporten att fungera igen.
Fältbarriärer ger dessutom galvanisk isolering mellan icke egensäkra kretsar på huvudbussen och egensäkra kretsar för anslutna fältenheter (grenar).
Rent fysiskt är gränssnittsenheter också av två typer - block och modulära. Blockgränssnittsenheter av typen FB-12SP med segmentskyddsfunktioner låter dig använda egensäkra IC-kretsar för att ansluta fältenheter i zon 2, och FB-12SP ISO-fältbarriärer låter dig ansluta enheter i zon 1 och 0 med egensäker IA kretsar.
FB-12SP och FB-6SP kopplingar från Phoenix Contact.
En av fördelarna med modulära enheter är möjligheten att skala systemet genom att välja antalet kanaler som krävs för att ansluta fältenheter. Dessutom tillåter modulära enheter skapandet av flexibla strukturer. I ett distributionsskåp är det möjligt att kombinera segmentskyddsmoduler och fältbarriärer, det vill säga att koppla fältenheter placerade i olika explosionsriskzoner från ett skåp. Totalt kan upp till 12 dubbelkanals FB-2SP-moduler eller enkanaliga FB-ISO-barriärmoduler installeras på en buss, och därmed ansluta från ett skåp till 24 fältenheter i zon 2 eller upp till 12 sensorer i zon 1 eller 0.
Gränssnittsenheter kan drivas inom ett brett temperaturområde och installeras i explosionssäkra kapslingar Ex e, Ex d med en damm- och fuktskyddsgrad på minst IP54, inklusive så nära styrobjektet som möjligt.
Överspänningsskyddsanordningar
H1-nätverk på fältnivå kan bilda mycket långa segment, och kommunikationslinjer kan löpa på platser där överspänningar är möjliga. Pulsöverspänningar förstås som inducerade potentialskillnader orsakade av blixturladdningar eller kortslutningar i närliggande kabelledningar. Den inducerade spänningen, vars storlek är i storleksordningen flera kilovolt, orsakar flödet av urladdningsströmmar på kiloampere. Alla dessa fenomen inträffar inom mikrosekunder, men kan leda till fel på H1-nätverkskomponenter. För att skydda utrustning från sådana fenomen är det nödvändigt att använda en SPD. Användningen av SPD istället för konventionella genomföringsterminaler garanterar tillförlitlig och säker drift av systemet under ogynnsamma förhållanden.
Principen för dess funktion är baserad på användningen av en kvasi-kortslutning i nanosekundområdet för flödet av urladdningsströmmar i en krets som använder element som kan motstå flödet av strömmar av sådan storlek.
Det finns ett stort antal typer av SPD:er: enkelkanal, dubbelkanal, med utbytbara pluggar, med olika typer av diagnostik - i form av en blinker, torr kontakt. Med toppmoderna diagnosverktyg från Phoenix Contact kan du övervaka överspänningsskydd med Ethernet-baserade digitala tjänster. Företagets fabrik i Ryssland producerar enheter som är certifierade för användning i explosiva miljöer, inklusive Foundation Fieldbus-system.
Bussterminator
Terminatorn utför två funktioner i nätverket - den shuntar fältbussströmmen, som uppstår som ett resultat av signalmodulering och förhindrar signalen från att reflekteras från ändarna av huvudledningen, vilket förhindrar uppkomsten av brus och jitter (fasjitter) av den digitala signalen). Således låter terminatorn dig undvika uppkomsten av felaktiga data på nätverket eller förlust av data helt och hållet.
Varje segment av H1-nätverket måste ha två terminatorer i varje ände av segmentet. Phoenix Contact-bussströmförsörjning och kopplingar är utrustade med omkopplingsbara terminatorer. Närvaron av extra terminatorer i nätverket, till exempel på grund av ett fel, kommer att avsevärt minska signalnivån i gränssnittslinjen.
Informationsutbyte mellan segment
Informationsutbyte mellan fältenheter är inte begränsat till ett segment, utan är möjligt mellan olika delar av nätverket, som kan anslutas via en styrenhet eller ett Ethernet-baserat anläggningsnätverk. I det här fallet kan Foundation Fieldbus HSE-protokoll eller ett mer populärt sådant, till exempel Modbus TCP, användas.
När man bygger ett HSE-nätverk används switchar av industrikvalitet. Protokollet tillåter ringredundans. I det här fallet är det värt att komma ihåg att i en ringtopologi måste switchar använda ett av redundansprotokollen (RSTP, MRP eller Extended Ring Redundancy) beroende på storleken och den nödvändiga nätverkskonvergenstiden när kommunikationskanalerna bryts.
Integrering av HSE-baserade system med tredjepartssystem är möjlig med hjälp av OPC-teknik.
Explosionssäkra metoder
För att skapa ett explosionssäkert system räcker det inte att bara styras av utrustningens explosionssäkra egenskaper och valet av dess korrekta placering på platsen. Inom systemet fungerar inte varje enhet på egen hand, utan arbetar inom ett enda nätverk. I Foundation Fieldbus H1-nätverk innebär informationsutbyte mellan enheter som är placerade i olika riskområden inte bara överföring av data, utan också överföring av elektrisk energi. Mängden energi som var acceptabel i en zon kanske inte är acceptabel i en annan. Därför används ett systematiskt tillvägagångssätt för att bedöma explosionssäkerheten för fältnätverk och välja den optimala metoden för att säkerställa den. Bland dessa metoder är metoder för att säkerställa egensäkerhet de mest använda.
När det gäller fältbussar finns det för närvarande flera sätt att uppnå egensäkerhet: den traditionella IS-barriärmetoden, FISCO-konceptet och High Power Trunk Technology (HPT).
Den första är baserad på användningen av IS-barriärer och implementerar ett beprövat koncept som har använts i styrsystem baserade på 4-20 mA analoga signaler. Denna metod är enkel och pålitlig, men begränsar strömförsörjningen till fältenheter i farliga zoner 0 och 1 till 80 mA. I det här fallet, enligt en optimistisk prognos, är det möjligt att ansluta högst 4 fältenheter per segment med en förbrukning på 20 mA, men i praktiken inte mer än 2. I detta fall förlorar systemet alla fördelar som finns i Foundation Fieldbus och faktiskt leder till en punkt-till-punkt-topologi, när man ska ansluta ett stort antal fältenheter måste systemet delas upp i många segment. Denna metod begränsar också avsevärt längden på huvudkabeln och grenarna.
FISCO-konceptet utvecklades av "National Metrological Institute of Germany" och inkluderades senare i IEC-standarderna och sedan i GOST. För att säkerställa fältnätverkets inneboende säkerhet innebär konceptet användning av komponenter som uppfyller vissa restriktioner. Liknande begränsningar är formulerade för strömförsörjningar i termer av uteffekt, för fältenheter i termer av effektförbrukning och induktans, för kablar i termer av resistans, kapacitans och induktans. Sådana begränsningar beror på det faktum att kapacitiva och induktiva element kan ackumulera energi, som i nödläge, i händelse av skada på något element i systemet, kan frigöras och orsaka en gnisturladdning. Dessutom förbjuder konceptet användning av redundans i bussens kraftsystem.
FISCO ger större ström för att driva enheter i farliga områden jämfört med fältbarriärmetoden. Här finns 115 mA som kan användas för att driva 4-5 enheter i segmentet. Det finns dock även restriktioner för längden på huvudkabeln och grenarna.
High Power Trunk-teknologi är för närvarande den vanligaste egensäkerhetstekniken i Foundation Fieldbus-nätverk eftersom den eliminerar de nackdelar som finns i barriärskyddade eller FISCO-nätverk. Med användning av HPT är det möjligt att uppnå gränsen för fältenheter i ett nätverkssegment.
Tekniken begränsar inte nätverkets elektriska parametrar där detta inte är nödvändigt, till exempel på en stamnätskommunikationslinje, där det inte finns något behov av underhåll och utbyte av utrustning. För att ansluta fältenheter placerade i en explosiv zon används gränssnittsenheter med funktionalitet av fältbarriärer, som begränsar nätverkets elektriska parametrar för att driva sensorerna och är placerade direkt bredvid kontrollobjektet. I detta fall används typen av explosionsskydd Ex e (ökat skydd) genom hela segmentet.
Källa: will.com