Foundation Fieldbus, Profibus, Modbus veya HART ile birlikte otomasyonda kullanılan bir dijital iletişim sistemidir. Teknoloji rakiplerinden biraz sonra ortaya çıktı: standardın ilk baskısı 1996 yılına dayanıyor ve şu anda ağ katılımcıları arasında bilgi alışverişi için iki protokol içeriyor - H1 ve HSE (Yüksek Hızlı Ethernet).
H1 protokolü, sensör ve kontrolör seviyelerinde bilgi alışverişi için kullanılır ve ağı, 61158 kbit/s veri aktarım hızına izin veren IEC 2-31,25 fiziksel katman standardını temel alır. Bu durumda saha cihazlarına veri yolundan güç sağlamak mümkündür. HSE ağı, yüksek hızlı Ethernet ağlarına (100/1000 Mbit/s) dayanmaktadır ve kontrolörler ve kurumsal yönetim sistemleri düzeyinde otomatikleştirilmiş bir süreç kontrol sistemi ağı oluşturmak için kullanılır.
Teknoloji, herhangi bir endüstriyel tesis için otomatik proses kontrol sistemlerinin yapımında uygulanabilir, ancak en çok petrol ve gaz endüstrisindeki ve kimya endüstrisindeki işletmelerde yaygındır.
Teknoloji yetenekleri
Foundation Fieldbus, analog sensörlere dayalı geleneksel otomatik kontrol sistemleri modeline alternatif olarak geliştirilmiştir ve hem geleneksel modele hem de Profibus veya HART'a dayalı dijital sistemlere göre çok sayıda avantaja sahiptir.
Ana avantajlardan biri sistemlerin yüksek derecede güvenilirliği ve hata toleransıdır. H1, iki faktör nedeniyle elde edilir:
- saha düzeyinde akıllı cihazların (sensörler ve aktüatörler) kullanımı;
- Bir denetleyicinin katılımı olmadan doğrudan saha düzeyindeki cihazlar arasında bilgi alışverişini organize etme yeteneği.
Saha cihazlarının zekası, geleneksel olarak kontrolörde uygulanan kontrol ve bilgi işleme algoritmalarını uygulama yeteneğinde yatmaktadır. Pratikte bu, kontrolör arızalansa bile sistemin çalışmaya devam etmesine olanak tanır. Bu, saha cihazlarının uygun şekilde yapılandırılmasını ve güvenilir bir fieldbus güç kaynağının sağlanmasını gerektirir.
Kontrol sisteminin dijitalleştirilmesinden ve akıllı sensörlerin kullanılmasından elde edilen ek faydalar arasında, her saha cihazından ölçümün ötesinde daha fazla veri elde etme yeteneği yer alır ve sonuçta geleneksel analog sistemlerde sinyal giriş/çıkış sistemiyle sınırlı olan proses izleme kapsamının genişletilmesi sağlanır. .
H1 ağında veri yolu topolojisinin kullanılması, kablo hatlarının uzunluğunu, kurulum işi miktarını azaltmanıza ve kontrol sistemlerinde ek ekipmanların kullanımını ortadan kaldırmanıza olanak tanır: giriş/çıkış modülleri, güç kaynakları ve tehlikeli alanlarda - kıvılcım koruma bariyerleri.
H1, eski kontrol sistemlerini yükseltirken kullanılabilecek 4-20 mA sensör iletişim kablolarının kullanılmasına olanak tanır. İçsel güvenlik ilkelerinin kullanılması sayesinde teknoloji patlayıcı ortamlarda aktif olarak kullanılmaktadır. Standardizasyonun kendisi, farklı üreticilerin ekipmanlarının birbiriyle değiştirilebilirliğini ve uyumluluğunu garanti eder ve ağ geçidi cihazları sayesinde, saha cihazlarından oluşan bir ağ ile Ethernet üzerine kurulu endüstriyel kontrol sistemi ağı arasında arayüz oluşturmak mümkündür.
Foundation Fieldbus H1, Profibus PA sistemlerine en çok benzeyenidir. Her iki teknoloji de aynı fiziksel katman standardını temel aldığından bu sistemler aynı veri aktarım hızlarına, Manchester kodlamasının kullanımına, iletişim hattının elektriksel parametrelerine, iletilen olası güç miktarına ve bir ağda izin verilen maksimum kablo uzunluğuna sahiptir. bölüm (1900 m). Ayrıca her iki sistemde de 4'e kadar tekrarlayıcı kullanmak mümkündür, bu sayede segment uzunluğu zaten 9,5 km'ye ulaşabilir. Kontrol sistemindeki olası ağ topolojileri ve ayrıca kendinden güvenliği sağlamaya yönelik ilkeler ortaktır.
Sistem bileşenleri
Foundation Fieldbus H1 ağının ana unsurları şunlardır:
- merkezi olmayan kontrol sistemi (DCS) denetleyicisi;
- Fieldbus güç kaynakları;
- blok veya modüler arayüz cihazları;
- otobüs sonlandırıcıları;
- akıllı saha cihazları
Sistem ayrıca ağ geçidi cihazlarını (Bağlantı Cihazı), protokol dönüştürücüleri, SPD'leri ve tekrarlayıcıları içerebilir.
Ağ topolojisi
H1 ağındaki önemli bir kavram segment kavramıdır. Saha cihazlarının bağlandığı, ondan uzanan dalları (Spur) olan bir ana iletişim hattıdır (Trunk). Ana hat kablosu veri yolu güç kaynağında başlar ve genellikle son arayüz cihazında biter. Kontrolör ile saha cihazları arasındaki iletişim için dört tür topolojiye izin verilir: noktadan noktaya, döngü, veri yolu ve ağaç. Her segment ayrı bir topoloji kullanılarak veya bunların kombinasyonları kullanılarak oluşturulabilir.
Noktadan noktaya topolojiyle her saha cihazı doğrudan kontrolöre bağlanır. Bu durumda bağlı her saha cihazı kendi ağ segmentini oluşturur. Bu topoloji elverişsizdir çünkü sistemi Foundation Fieldbus'ın doğasında bulunan neredeyse tüm avantajlardan mahrum bırakır. Kontrol cihazında çok fazla arayüz var ve saha cihazlarına veri yolundan güç sağlamak için her iletişim hattının kendi saha veri yolu güç kaynağına sahip olması gerekiyor. İletişim hatlarının uzunluğu çok uzun çıkıyor ve cihazlar arasındaki bilgi alışverişi yalnızca kontrolör aracılığıyla gerçekleştiriliyor, bu da H1 sistemlerinin yüksek hata toleransı ilkesinin kullanılmasına izin vermiyor.
Döngü topolojisi, saha cihazlarının birbirine seri bağlantısını ifade eder. Burada tüm saha cihazları tek bir segmentte birleştirilir ve bu da daha az kaynağın kullanılmasına olanak tanır. Bununla birlikte, bu topolojinin dezavantajları da vardır - her şeyden önce, ara sensörlerden birinin arızalanmasının diğerleriyle iletişim kaybına yol açmayacağı yöntemlerin sağlanması gereklidir. Diğer bir dezavantaj, segmentte bilgi alışverişinin imkansız olacağı iletişim hattında kısa devreye karşı korumanın bulunmaması ile açıklanmaktadır.
Diğer iki ağ topolojisi en yüksek güvenilirliğe ve pratikliğe sahiptir; H1 ağlarını oluştururken pratikte en büyük dağılımı bulan veri yolu ve ağaç topolojisi. Bu topolojilerin arkasındaki fikir, saha cihazlarını omurgaya bağlamak için arayüz cihazları kullanmaktır. Kaplin cihazları her saha cihazının kendi arayüzüne bağlanmasına olanak sağlar.
Ağ ayarları
Bir H1 ağı oluştururken önemli sorular, fiziksel parametrelerdir - bir segmentte kaç saha cihazı kullanılabilir, bir segmentin maksimum uzunluğu nedir, dallar ne kadar uzun olabilir. Bu soruların cevabı, saha cihazlarının güç kaynağı türüne ve enerji tüketimine, tehlikeli alanlar için ise kendinden güvenliği sağlama yöntemlerine bağlıdır.
Bir segmentteki (32) maksimum saha cihazı sayısına ancak bunların sahadaki yerel kaynaklardan beslenmesi ve kendinden güvenliğin mevcut olmaması durumunda ulaşılabilir. Sensörlere ve aktüatörlere veri yolundan güç sağlanırken, maksimum cihaz sayısı, kendinden güvenlik yöntemlerine bağlı olarak yalnızca 12 veya daha az olabilir.
Saha cihazlarının sayısının güç kaynağı yöntemine ve kendinden güvenliği sağlamaya yönelik yöntemlere bağlılığı.
Ağ bölümünün uzunluğu, kullanılan kablonun türüne göre belirlenir. A tipi kablo (blendajlı çift bükümlü) kullanıldığında maksimum 1900 m uzunluğa ulaşılır. D tipi kablo kullanıldığında (ortak blendajlı bükülmüş çok çekirdekli kablo değil) - yalnızca 200 m. Bir segmentin uzunluğu, ana kablonun ve ondan gelen tüm dalların uzunluklarının toplamı olarak anlaşılır.
Segment uzunluğunun kablo tipine bağlılığı.
Dalların uzunluğu ağ segmentindeki cihaz sayısına bağlıdır. Yani 12'ye kadar cihaz sayısı ile bu maksimum 120 m'dir. Bir segmentte 32 cihaz kullanıldığında branşmanların maksimum uzunluğu sadece 1 m olacaktır. Dalın uzunluğunu 30 m azaltır.
Ana kablodan gelen dalların uzunluğunun, segmentteki saha cihazlarının sayısına bağlılığı.
Tüm bu faktörler sistemin yapısını ve topolojisini doğrudan etkiler. Ağ tasarım sürecini hızlandırmak için FieldComm Group'tan DesignMate veya Phoenix Contact'tan Fieldbus Network Planner gibi özel yazılım paketleri kullanılır. Programlar, olası tüm kısıtlamaları dikkate alarak H1 ağının fiziksel ve elektriksel parametrelerini hesaplamanıza olanak tanır.
Sistem bileşenlerinin amacı
Kontrolör
Kontrolörün görevi, servis mesajları göndererek ağı yöneten ana cihaz olan Bağlantı Aktif Zamanlayıcının (LAS) fonksiyonlarını uygulamaktır. LAS, ağ katılımcıları arasında planlı (planlı) veya plansız mesajlarla bilgi alışverişini başlatır, tüm cihazları teşhis eder ve senkronize eder.
Ek olarak kontrolör, saha cihazlarının otomatik adreslenmesinden sorumludur ve bir ağ geçidi cihazı gibi davranarak Foundation Fieldbus HSE veya başka bir iletişim protokolüne dayalı olarak kontrol sisteminin üst seviyesiyle iletişim için bir Ethernet arayüzü sağlar. Sistemin en üst seviyesinde kontrolör, operatör izleme ve kontrol fonksiyonlarının yanı sıra saha cihazlarının uzaktan yapılandırılmasına yönelik fonksiyonları da sağlar.
Ağda, içlerinde yerleşik işlevlerin yedekliliğini garanti eden birkaç Aktif Bağlantı Zamanlayıcı bulunabilir. Modern sistemlerde LAS işlevleri, Foundation Fieldbus HSE dışında bir standart üzerine kurulu kontrol sistemleri için protokol dönüştürücü görevi gören bir ağ geçidi cihazında uygulanabilir.
Fieldbus güç kaynakları
H1 ağındaki güç kaynağı sistemi önemli bir rol oynar çünkü veri alışverişinin mümkün olması için veri kablosundaki voltajın 9 ila 32 V DC aralığında tutulması gerekir. Saha cihazlarına ister veri yolu, ister saha güç kaynakları tarafından güç sağlanıyor olsun, ağ, veri yolu güç kaynaklarına ihtiyaç duyar.
Bu nedenle asıl amaçları, veri yolunda gerekli elektrik parametrelerini korumak ve ayrıca ağa bağlı cihazlara güç sağlamaktır. Veri yolu güç kaynakları, veri iletim frekanslarında karşılık gelen bir çıkış devresi empedansına sahip olmaları açısından geleneksel güç kaynaklarından farklıdır. H1 ağına güç sağlamak için doğrudan 12 veya 24 V güç kaynakları kullanırsanız sinyal kaybolacak ve veri yolu üzerinde bilgi alışverişi mümkün olmayacaktır.
Yedekli fieldbus güç kaynakları FB-PS (4 segment için montaj).
Güvenilir veri yolu gücü sağlamanın önemi göz önüne alındığında, her ağ bölümü için güç kaynakları yedekli olabilir. Phoenix Contact FB-PS güç kaynakları Otomatik Akım Dengeleme teknolojisini destekler. ASV, güç kaynakları arasında simetrik bir yük sağlar; bu, sıcaklık koşulları üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir ve sonuçta hizmet ömrünün uzamasına yol açar.
H1 güç kaynağı sistemi genellikle denetleyici kabininde bulunur.
Arayüz cihazları
Bağlantı cihazları, bir grup saha cihazını ana veri yoluna bağlamak için tasarlanmıştır. Yaptıkları fonksiyonlara göre segment koruma modülleri (Segment Koruyucular) ve alan bariyerleri (Saha Bariyerleri) olmak üzere iki tipe ayrılırlar.
Türü ne olursa olsun, arayüz cihazları ağı giden hatlardaki kısa devrelerden ve aşırı akımlardan korur. Kısa devre oluştuğunda arayüz cihazı arayüz portunu bloke ederek kısa devrenin sistem geneline yayılmasını engeller ve böylece diğer ağ cihazları arasında bilgi alışverişini garanti eder. Hattaki kısa devrenin giderilmesinin ardından daha önce bloke olan iletişim portu tekrar çalışmaya başlar.
Saha bariyerleri ayrıca ana veriyolunun kendinden emniyetli olmayan devreleri ile bağlı saha cihazlarının (dallar) kendinden emniyetli devreleri arasında galvanik izolasyon sağlar.
Fiziksel olarak arayüz cihazları da blok ve modüler olmak üzere iki tiptedir. Segment koruma işlevine sahip FB-12SP tipi blok arayüz cihazları, Bölge 2'deki saha cihazlarını bağlamak için kendinden emniyetli IC devreleri kullanmanıza olanak tanır ve FB-12SP ISO alan bariyerleri, kendinden emniyetli IA kullanarak Bölge 1 ve 0'daki cihazları bağlamanıza olanak tanır devreler.
Phoenix Contact'tan FB-12SP ve FB-6SP kuplörleri.
Modüler cihazların avantajlarından biri, saha cihazlarını bağlamak için gereken kanal sayısını seçerek sistemi ölçeklendirebilme yeteneğidir. Ayrıca modüler cihazlar esnek yapıların oluşturulmasına olanak sağlar. Bir dağıtım kabininde segment koruma modüllerini ve saha bariyerlerini birleştirmek, yani farklı patlama tehlikesi bölgelerinde bulunan saha cihazlarını tek bir kabinden bağlamak mümkündür. Toplamda, bir veriyoluna 12'ye kadar çift kanallı FB-2SP modülü veya tek kanallı FB-ISO bariyer modülü kurulabilir, böylece bir kabinden Bölge 24'deki 2 saha cihazına veya Bölge 12'deki en fazla 1 sensöre bağlanabilir veya 0.
Arayüz cihazları geniş bir sıcaklık aralığında çalıştırılabilir ve kontrol nesnesine mümkün olduğu kadar yakın olmak üzere en az IP54 toz ve nem korumasına sahip Ex e, Ex d patlamaya dayanıklı muhafazalara monte edilir.
Aşırı gerilim koruma cihazları
H1 alan düzeyindeki ağlar çok uzun bölümler oluşturabilir ve iletişim hatları dalgalanmaların mümkün olduğu yerlerde çalışabilir. Darbe aşırı gerilimleri, yıldırım deşarjlarının veya yakındaki kablo hatlarındaki kısa devrelerin neden olduğu indüklenen potansiyel farklar olarak anlaşılmaktadır. Büyüklüğü birkaç kilovolt mertebesinde olan indüklenen voltaj, kiloamperlik deşarj akımlarının akışına neden olur. Tüm bu olaylar mikrosaniyeler içinde meydana gelir ancak H1 ağ bileşenlerinin arızalanmasına yol açabilir. Ekipmanı bu tür olaylardan korumak için bir SPD kullanılması gerekir. Geleneksel geçiş terminalleri yerine SPD'lerin kullanılması, sistemin olumsuz koşullarda güvenilir ve emniyetli çalışmasını garanti eder.
Çalışma prensibi, bu büyüklükteki akımların akışına dayanabilecek elemanları kullanan bir devrede deşarj akımlarının akışı için nanosaniye aralığında yarı kısa devrenin kullanılmasına dayanmaktadır.
Çok sayıda SPD türü vardır: tek kanallı, çift kanallı, değiştirilebilir fişli, çeşitli teşhis türleriyle - yanıp sönen, kuru kontak şeklinde. Phoenix Contact'ın son teknoloji teşhis araçları, Ethernet tabanlı dijital hizmetleri kullanarak aşırı gerilim koruyucuları izlemenizi sağlar. Şirketin Rusya'daki fabrikası, Foundation Fieldbus sistemleri de dahil olmak üzere patlayıcı ortamlarda kullanım için sertifikalı cihazlar üretiyor.
Otobüs sonlandırıcı
Sonlandırıcı ağda iki işlevi yerine getirir - sinyal modülasyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkan alan veri yolu akımını yönlendirir ve sinyalin ana hattın uçlarından yansımasını engeller, böylece gürültü ve titreşimin (faz titreşimi) ortaya çıkmasını önler. dijital sinyal). Böylece sonlandırıcı, ağda yanlış verilerin görünmesini veya verilerin tamamen kaybolmasını önlemenizi sağlar.
H1 ağının her bölümü, bölümün her iki ucunda iki sonlandırıcıya sahip olmalıdır. Phoenix Contact bus güç kaynakları ve kuplörleri değiştirilebilir sonlandırıcılarla donatılmıştır. Örneğin bir hata nedeniyle ağda fazladan sonlandırıcıların bulunması, arayüz hattındaki sinyal seviyesini önemli ölçüde azaltacaktır.
Segmentler arası bilgi alışverişi
Saha cihazları arasındaki bilgi alışverişi tek bir segmentle sınırlı olmayıp, bir kontrolör veya Ethernet tabanlı tesis ağı aracılığıyla bağlanabilen ağın farklı bölümleri arasında da mümkündür. Bu durumda Foundation Fieldbus HSE protokolü veya daha popüler olanı, örneğin Modbus TCP kullanılabilir.
Bir HSE ağı oluştururken endüstriyel sınıf anahtarlar kullanılır. Protokol halka yedekliliğine izin verir. Bu durumda, bir ring topolojisinde anahtarların, iletişim kanalları kesildiğinde boyuta ve gerekli ağ yakınsama süresine bağlı olarak artıklık protokollerinden (RSTP, MRP veya Extended Ring Redundancy) birini kullanması gerektiğini hatırlamakta fayda var.
HSE tabanlı sistemlerin üçüncü taraf sistemlerle entegrasyonu OPC teknolojisi kullanılarak mümkündür.
Patlamaya dayanıklı yöntemler
Patlamaya dayanıklı bir sistem oluşturmak için yalnızca ekipmanın patlamaya dayanıklı özelliklerine ve sahadaki doğru konumunun seçimine rehberlik etmek yeterli değildir. Sistemde her cihaz kendi başına çalışmaz, tek bir ağ içerisinde çalışır. Foundation Fieldbus H1 ağlarında, farklı tehlikeli alanlarda bulunan cihazlar arasındaki bilgi alışverişi, yalnızca veri aktarımını değil aynı zamanda elektrik enerjisi aktarımını da içerir. Bir bölgede kabul edilebilir olan enerji miktarı diğerinde kabul edilmeyebilir. Bu nedenle saha ağlarının patlama güvenliğini değerlendirmek ve bunu sağlamak için en uygun yöntemi seçmek için sistematik bir yaklaşım kullanılır. Bu yöntemler arasında en yaygın kullanılanı içsel güvenliği sağlamaya yönelik yöntemlerdir.
Fieldbus'lar söz konusu olduğunda, halihazırda kendinden güvenliğe ulaşmanın birkaç yolu vardır: geleneksel IS bariyer yöntemi, FISCO konsepti ve Yüksek Güçlü Devre Teknolojisi (HPT).
Birincisi IS bariyerlerinin kullanımına dayanır ve 4-20 mA analog sinyallere dayalı kontrol sistemlerinde kullanılan kanıtlanmış bir konsepti uygular. Bu yöntem basit ve güvenilirdir ancak tehlikeli Bölgeler 0 ve 1 ila 80 mA'daki saha cihazlarının güç kaynağını sınırlar. Bu durumda iyimser bir tahmine göre, 4 mA tüketimle segment başına en fazla 20 saha cihazını bağlamak mümkündür, ancak pratikte en fazla 2 saha cihazını bağlamak mümkündür. Bu durumda sistem, mevcut tüm avantajları kaybeder. Foundation Fieldbus'ta ve aslında noktadan noktaya topolojiye yol açar, çok sayıda saha cihazının bağlanması durumunda sistemin birçok bölüme bölünmesi gerekir. Bu yöntem aynı zamanda ana kablonun ve dalların uzunluğunu da önemli ölçüde sınırlandırır.
FISCO konsepti “Almanya Ulusal Metroloji Enstitüsü” tarafından geliştirilmiş ve daha sonra IEC standartlarına ve ardından GOST'a dahil edilmiştir. Saha ağının kendinden güvenliğini sağlamak için konsept, belirli kısıtlamaları karşılayan bileşenlerin kullanımını içerir. Çıkış gücü açısından güç kaynakları için, güç tüketimi ve endüktans açısından saha cihazları için, direnç, kapasitans ve endüktans açısından kablolar için benzer kısıtlamalar formüle edilmiştir. Bu tür kısıtlamalar, kapasitif ve endüktif elemanların enerji biriktirebilmesinden kaynaklanmaktadır; bu, acil durum modunda sistemin herhangi bir elemanının hasar görmesi durumunda serbest bırakılıp kıvılcım deşarjına neden olabilir. Ayrıca konsept, veri yolu güç sisteminde yedeklilik kullanımını yasaklamaktadır.
FISCO, tehlikeli alanlardaki cihazlara güç sağlamak için alan bariyer yöntemine kıyasla daha fazla akım sağlar. Segmentteki 115-4 cihaza güç sağlamak için kullanılabilen 5 mA burada mevcuttur. Ancak ana kablo ve branşmanların uzunluğu konusunda da kısıtlamalar bulunmaktadır.
High Power Trunk teknolojisi şu anda Foundation Fieldbus ağlarında en yaygın kullanılan içsel güvenlik teknolojisidir çünkü bariyer korumalı veya FISCO ağlarında mevcut olan dezavantajlara sahip değildir. HPT kullanımıyla bir ağ segmentindeki saha cihazlarının sınırına ulaşmak mümkündür.
Teknoloji, örneğin bakım ve ekipman değişimine gerek olmayan omurga iletişim hattı gibi gerekli olmadığı durumlarda ağın elektriksel parametrelerini sınırlamaz. Patlayıcı bir bölgede bulunan saha cihazlarını bağlamak için, sensörlere güç sağlamak için ağın elektriksel parametrelerini sınırlayan ve doğrudan kontrol nesnesinin yanına yerleştirilen, alan bariyerlerinin işlevselliğine sahip arayüz cihazları kullanılır. Bu durumda tüm segmentte patlamaya karşı koruma türü Ex e (artırılmış koruma) kullanılır.
Kaynak: habr.com