Foundation Fieldbus є цифровою системою зв'язку, що застосовується в автоматизації поряд з такими, як Profibus, Modbus або HART. Технологія з'явилася трохи пізніше своїх конкурентів: перша редакція стандарту датована 1996 роком і зараз включає два протоколи інформаційного обміну між учасниками мережі - H1 і HSE (High Speed Ethernet).
Протокол H1 застосовується для інформаційного обміну лише на рівні датчиків і контролерів, яке мережа грунтується на стандарті фізичного рівня МЕК 61158-2, допускаючи швидкість передачі даних 31,25 кбіт/с. У цьому живлення польових пристроїв можна організувати від шини передачі. Мережа HSE заснована на високошвидкісних мережах Ethernet (100/1000 Мбіт/с) та використовується для побудови мережі АСУ ТП на рівні контролерів та систем управління підприємством.
Технологія застосовна при побудові АСУ ТП будь-яких промислових об'єктів, але найбільшого поширення набула на підприємствах нафтогазової галузі та хімічної промисловості.
Можливості технології
Foundation Fieldbus розроблялася як альтернатива традиційній моделі автоматизованих систем керування на основі аналогових датчиків і отримала ряд переваг як перед традиційною моделлю, так і цифровими системами на основі Profibus або HART.
Одна з основних переваг полягає у високому ступені надійності та відмовостійкості систем H1, що досягається завдяки двом факторам:
- використання на польовому рівні інтелектуальних пристроїв (датчиків та виконавчих механізмів);
- можливості організувати інформаційний обмін безпосередньо між пристроями польового рівня без контролера.
Інтелектуальність польових пристроїв полягає у можливості закласти алгоритми управління та обробки інформації, які традиційно реалізуються у контролері. Насправді це дає можливість системі продовжувати роботу навіть за виході контролера з ладу. Для цього необхідно, щоб польові пристрої були налаштовані відповідним чином, а також була забезпечена надійна система електроживлення польової шини.
Додаткові переваги, що отримуються від цифровізації системи управління та використання інтелектуальних датчиків, полягають у можливості отримати більшу кількість даних, крім вимірювання, від кожного польового пристрою, що зрештою розширює область спостереження за процесом, яка в традиційних аналогових системах обмежена системою введення-виведення сигналів .
Використання шинної топології в мережі H1 дозволяє скоротити довжину кабельних ліній, обсяг монтажних робіт, відмовитися від використання додаткового обладнання в системах управління: модулів вводу-виводу, джерел живлення, а у вибухонебезпечних зонах – бар'єрів іскрозахисту.
H1 допускає використання кабелів ліній зв'язку датчиків 4-20 мА, що можна використовувати при модернізації старих систем управління. Завдяки використанню принципів іскробезпеки технологія активно застосовується у вибухонебезпечних середовищах. Сама стандартизація гарантує взаємозамінність та сумісність обладнання різних виробників, а завдяки шлюзовим пристроям можна сполучати мережу польових пристроїв та мережі АСУ ТП підприємств, побудованих на Ethernet.
Найбільшу схожість Foundation Fieldbus H1 має із системами Profibus PA. Обидві технології базуються на одному стандарті фізичного рівня, тому однаковими у цих систем є швидкості передачі даних, використання манчестерського кодування, електричні параметри лінії зв'язку, величина можливої потужності, що передається, максимально допустима довжина кабелю в сегменті мережі (1900 м). Також в обох системах можливе використання до 4 репітерів, завдяки чому довжина сегмента може досягати вже 9,5 км. Спільними є можливі мережеві топології у системі управління, а також принципи забезпечення іскробезпеки.
Компоненти системи
Основними елементами мережі Foundation Fieldbus H1 є:
- контролер децентралізованої системи керування (DCS);
- джерела живлення польової шини;
- блокові чи модульні пристрої сполучення;
- термінатори шини;
- інтелектуальні польові устрою.
Також у системі можуть бути шлюзові пристрої (Linking Device), перетворювачі протоколів, УЗІП і повторювачі.
Топологія мережі
Важливим поняттям мережі H1 є поняття сегмента. Він являє собою магістральну лінію зв'язку (Trunk), з відгалуженнями (Spur), що відходять від неї, до яких підключаються польові пристрої. Магістральний кабель починається на джерелі живлення шини і закінчується зазвичай на останньому пристрої сполучення. Для зв'язку контролера з польовими пристроями допускається чотири види топології: точка-точка, шлейф, шина та дерево. Кожен сегмент може бути побудований як із використанням окремої топології, так і з використанням їх комбінацій.
При використанні топології точка-точка кожен польовий пристрій підключається безпосередньо до контролера. Кожен підключений польовий пристрій утворює власний сегмент мережі. Така топологія виявляється незручною, тому що позбавляє систему майже всіх переваг, закладених у Foundation Fieldbus. На контролері задіяно занадто багато інтерфейсів, а для живлення польових пристроїв від шини даних на кожній лінії зв'язку повинен розташовуватися своє джерело живлення польової шини. Довжина ліній зв'язку виявляється занадто великий, а інформаційний обмін між пристроями ведеться лише через контролер, що не дозволяє використовувати принцип високої стійкості до відмови H1.
Топологія шлейф має на увазі послідовне з'єднання польових пристроїв між собою. Тут всі польові пристрої об'єднані в один сегмент, що дозволяє використовувати менші ресурси. Однак така топологія теж має недоліки – передусім необхідно передбачити методи, при яких вихід з ладу одного з проміжних датчиків не призведе до обриву зв'язку з іншими. Ще один недолік пояснюється відсутністю захисту від короткого замикання лінії зв'язку, при якому інформаційний обмін в сегменті буде неможливий.
Найбільшу надійність і практичність мають дві інші топології мережі - шинна та топологія дерево, які і знайшли найбільше поширення на практиці при побудові мереж H1. Сенс цих топологій полягає у використанні пристроїв сполучення для підключення польових пристроїв до магістральної лінії зв'язку. Пристрої пари дозволяють підключати кожен польовий пристрій до власного інтерфейсу.
Параметри мережі
Важливими питаннями при побудові мережі H1 є її фізичні параметри - скільки польових пристроїв можна використовувати в сегменті, якою максимальною довжиною може бути сегмент, якою довжини можуть бути відгалуження. Відповідь на ці питання залежить від типу живлення та енергоспоживання польових пристроїв, а для вибухонебезпечних об'єктів способів забезпечення іскробезпеки.
Максимальна кількість польових пристроїв у сегменті (32) може бути досягнута лише у разі їх живлення від локальних джерел за місцем та за відсутності засобів забезпечення іскробезпеки. При живленні датчиків та виконавчих механізмів від шини даних максимальна кількість пристроїв може бути лише 12 або менше, залежно від методів забезпечення іскробезпеки.
Залежність кількості польових пристроїв від способу живлення та методів забезпечення іскробезпеки.
Довжина сегмента мережі визначається типом кабелю, що використовується. Максимальна довжина 1900 м досягається при використанні кабелю типу А (кручена пара з екраном). При використанні кабелю типу Д (не кручений багатожильний кабель із загальним екраном) – лише 200 м. Під довжиною сегмента розуміють суму довжин магістрального кабелю та всіх відгалужень від нього.
Залежність довжини сегмента типу кабелю.
Довжина відгалужень залежить від кількості пристроїв у сегменті мережі. Так, при числі пристроїв до 12 - це максимальні 120 м. При використанні в сегменті 32 пристроїв максимальна довжина відгалужень складе всього 1 м. При підключенні шлейфом польових пристроїв кожен додатковий пристрій скорочує довжину відгалуження на 30 м.
Залежність довжини відгалужень від магістрального кабелю від кількості польових пристроїв у сегменті.
Всі ці фактори безпосередньо впливають на структуру та топологію системи. Щоб прискорити процес проектування мережі, використовують спеціальні програмні комплекси, такі як DesignMate від FieldComm Group або Fieldbus Network Planner від компанії Phoenix Contact. Програми дозволяють проводити розрахунок фізичних та електричних параметрів мережі H1 з огляду на всі можливі обмеження.
Призначення компонентів системи
контролер
Завданням контролера є реалізація функцій Активного Планувальника Зв'язків (LAS) – головного пристрою, що управляє мережею за допомогою розсилки службових повідомлень. LAS ініціює інформаційний обмін між учасниками мережі запланованими (за розкладом) або незапланованими повідомленнями, здійснює діагностику та синхронізацію всіх пристроїв.
Крім цього, контролер відповідає за автоматичну адресацію польових пристроїв, виступає в ролі шлюзового пристрою, надаючи Ethernet інтерфейс для зв'язку з верхнім рівнем системи управління на основі Foundation Fieldbus HSE або іншого комунікаційного протоколу. Для верхнього рівня системи контролер надає функції моніторингу та управління оператором, а також функції віддаленого конфігурування польових пристроїв.
У мережі може бути кілька Активних Планувальників Зв'язків, які гарантують резервування закладених у них функцій. У сучасних системах функції LAS можуть реалізовуватися в шлюзовому пристрої, що виконує роль перетворювача протоколів для систем управління, побудованих на стандарті, відмінному від Foundation Fieldbus HSE.
Джерела живлення польової шини
Система живлення в мережі H1 відіграє ключову роль, тому що для можливості інформаційного обміну в кабелі передачі даних повинна підтримуватися напруга в межах від 9 до 32 В постійного струму. Незалежно від того, живляться польові пристрої від шини передачі даних або джерел живлення за місцем, в мережі потрібні джерела живлення шини.
Тому основним їх призначенням є підтримка необхідних електричних параметрів на шині, а також живлення пристроїв, підключених до мережі. Від звичайних блоків живлення джерела живлення шини відрізняються тим, що відповідний імпеданс мають вихідний ланцюга на частотах передачі даних. Якщо для живлення мережі H1 безпосередньо використовувати блоки живлення 12 або 24 В, сигнал буде втрачено, а інформаційний обмін на шині неможливий.
Резервовані джерела живлення польової шини FB-PS (складання для 4 сегментів).
Зважаючи на важливість забезпечення надійного живлення шини, джерела живлення кожного сегмента мережі можуть бути резервовані. Джерела живлення FB-PS від Phoenix Contact підтримують технологію автоматичного балансування струмового навантаження (Auto Current Balancing). АСВ забезпечує симетричне навантаження між джерелами живлення, що сприятливо позначається з їхньої температурному режимі й у кінцевому підсумку веде до підвищення терміну служби.
Система живлення мережі H1, як правило, знаходиться в шафі контролера.
Пристрої пари
Пристрої сполучення призначені для підключення групи польових пристроїв до магістральної передачі даних. За функціями, що виконуються, вони поділяються на два типи: модулі захисту сегмента (Segment Protectors) і польові бар'єри (Field Barriers).
Незалежно від типу пристрою сполучення захищають мережу від коротких замикань і перевантажень по струму в лініях, що відходять. При появі короткого замикання пристрій пари блокує інтерфейсний порт, не дозволяючи КЗ поширитися по системі і гарантуючи таким чином інформаційний обмін між іншими пристроями мережі. Після усунення КЗ лінії раніше блокований порт зв'язку знову починає працювати.
Польові бар'єри додатково забезпечують гальванічну розв'язку між неіскробезпечними ланцюгами магістральної шини і іскробезпечними ланцюгами польових пристроїв (відгалужень), що підключаються.
Фізично пристрої сполучення також бувають двох типів – у блочному та модульному виконанні. Блокові пристрої пари типу FB-12SP з функціоналом захисту сегмента дозволяють використовувати для підключення польових пристроїв у Зоні 2 іскробезпечні ланцюги IC, а польові бар'єри FB-12SP ISO дозволяють підключати пристрої в Зоні 1 та 0 іскробезпечними ланцюгами IA.
Пристрої пари FB-12SP і FB-6SP від Phoenix Contact.
Однією з переваг модульних пристроїв є можливість масштабування системи, підбираючи необхідну для підключення польових пристроїв кількість каналів. Крім цього, модульні пристрої дозволяють створювати гнучкі структури. В одній розподільній шафі можна комбінувати модулі захисту сегмента та польові бар'єри, тобто підключати від однієї шафи польові пристрої, розташовані в різних зонах вибухонебезпеки. Усього на одну шину можна встановити до 12 двоканальних модулів FB-2SP або одноканальних модулів бар'єрів FB-ISO, підключаючи таким чином від однієї шафи до 24 польових пристроїв у Зоні 2 або до 12 датчиків у Зоні 1 або 0.
Пристрої сполучення можуть експлуатуватися в широкому температурному діапазоні і встановлюються у вибухозахищених оболонках Ex e, Ex d зі ступенем пиловологозахисту не менше IP54, у тому числі максимально близько до об'єкта управління.
Пристрої захисту від імпульсних перенапруг
Мережі польового рівня Н1 можуть утворювати дуже протяжні сегменти, а лінії зв'язку можуть проходити в місцях, де можливе утворення імпульсних перенапруг. Під імпульсними перенапругами розуміють наведену різницю потенціалів, викликану грозовими розрядами чи короткими замиканнями у прилеглих кабельних лініях. Наведене напруга, величина якого становить близько кількох кіловольт, викликає перебіг розрядних струмів величиною кілоампери. Всі ці явища відбуваються протягом мікросекунд, але можуть привести до виходу з експлуатації компонентів мережі Н1. Для захисту обладнання від подібних явищ необхідно використовувати УЗДП. Застосування УЗІП замість звичайних прохідних клем гарантує надійну та безпечну роботу системи у несприятливих умовах.
Принцип його дії заснований на використанні квазікороткого замикання в наносекундному діапазоні для перебігу розрядних струмів у контурі, в якому використовуються елементи, здатні витримати струм струму такої величини.
Існує велика кількість різновидів УЗДП: одноканальні, двоканальні, зі змінними штекерами, з різними типами діагностики – у вигляді млинців, сухого контакту. Сучасні засоби діагностики від Phoenix Contact дозволяють здійснювати моніторинг УЗІП із використанням цифрових сервісів на основі Ethernet. На заводі компанії в Росії випускаються пристрої, сертифіковані для використання у вибухонебезпечних середовищах, у тому числі в системах Foundation Fieldbus.
Термінатор шини
Термінатор виконує в мережі дві функції – шунтує струм польової шини, який виникає внаслідок модулювання сигналу та перешкоджає відображенню сигналу від кінців магістральної лінії, запобігаючи таким чином появі шумів та джиттера (фазового тремтіння цифрового сигналу). Таким чином, термінатор дозволяє уникнути появу неточних даних у мережі або втрату даних зовсім.
У кожному сегменті мережі H1 обов'язково наявність двох термінаторів, кожному з кінців сегмента. Джерела живлення шини і пристрої сполучення Phoenix Contact комплектуються термінаторами, що відключаються. Наявність зайвих термінаторів у мережі, наприклад, внаслідок помилки значно знижуватиме рівень сигналу в інтерфейсній лінії.
Інформаційний обмін між сегментами
Інформаційний обмін між польовими пристроями не обмежується одним сегментом, а можливий між різними ділянками мережі, які можуть бути пов'язані через контролер чи мережу підприємства на основі Ethernet. При цьому може бути використаний протокол Foundation Fieldbus HSE або популярніший, наприклад, Modbus TCP.
При побудові мережі HSE використовуються комутатори промислового виконання. Протокол допускає кільцеве резервування. У цьому випадку варто пам'ятати, що в кільцевій топології комутатори повинні використовувати один із протоколів резервування (RSTP, MRP або Extended Ring Redundancy) залежно від величини та необхідного часу збіжності мережі під час обриву каналів зв'язку.
Інтеграція систем на основі HSE із сторонніми системами можлива із застосуванням технології ОРС.
Методи забезпечення вибухобезпеки
Для створення вибухобезпечної системи недостатньо керуватися лише характеристиками вибухобезпеки обладнання та вибором його правильного розташування на об'єкті. У межах системи кожен із пристроїв не функціонує саме собою, а працює у межах єдиної мережі. У мережах Foundation Fieldbus H1 інформаційний обмін між пристроями, розташованими в різних зонах вибухонебезпеки, пов'язаний не тільки з передачею даних, а й з передачею електричної енергії. Розмір енергії, яка була допустима в одній зоні, може бути неприйнятною в іншій. Тому для оцінки вибухобезпеки польових мереж та вибору оптимального методу її забезпечення використовують системний підхід. Серед таких методів найбільшого поширення набули методи забезпечення іскробезпеки.
Стосовно польових шин зараз існує кілька способів забезпечення іскробезпеки: традиційний метод бар'єрів іскрозахисту, концепція FISCO та технологія High Power Trunk (HPT).
Перший заснований на використанні бар'єрів іскрозахисту і реалізує випробувану концепцію, яка використовувалася в системах управління на основі аналогових сигналів 4-20 мА. Цей метод простий і надійний, проте обмежує живлення польових пристроїв у вибухонебезпечних зонах 0 і 1 мА. У цьому випадку за оптимістичним прогнозом можна підключити не більше 80 польових пристроїв на сегмент із споживанням 4 мА, але на практиці не більше 20. У цьому випадку система втрачає всі переваги, які існують у Foundation Fieldbus, і фактично призводить до топології точка-точка, коли для підключення великої кількості польових пристроїв систему необхідно розбивати на множину сегментів. Також цей метод значно обмежує довжину магістрального кабелю та відгалужень.
Концепція FISCO була розроблена «Національним метрологічним інститутом Німеччини» і пізніше увійшла до стандартів МЕК, а потім і до ГОСТу. Для гарантії іскробезпеки польової мережі концепція передбачає використання компонентів, які відповідають певним обмеженням. Подібні обмеження формулюються для джерел живлення по вихідній потужності, для польових пристроїв за споживаною потужністю та індуктивністю, для кабелів опору, ємності та індуктивності. Подібні обмеження пов'язані з тим, що ємнісні та індуктивні елементи можуть накопичувати в собі енергію, яка в аварійному режимі, у разі пошкодження будь-якого елемента системи, може вивільнитися та стати причиною іскрового розряду. Крім того, концепція забороняє використання резервування у системі живлення шини.
FISCO дає велику величину струму для живлення пристроїв у вибухонебезпечній зоні, порівняно з методом польових бар'єрів. Тут доступно 115 мА, що можна використовувати для живлення 4-5 пристроїв в сегменті. Однак тут також існують обмеження щодо довжини магістрального кабелю та відгалужень.
Технологія High Power Trunk зараз є найбільш поширеною технологією забезпечення іскробезпеки в мережах Foundation Fieldbus, тому що позбавлена недоліків, які існують у мережах, захищених бар'єрами або побудованими згідно FISCO. З використанням HPT стало можливо досягти граничного значення польових пристроїв у сегменті мережі.
Технологія не обмежує електричні параметри мережі там, де в цьому немає необхідності, наприклад, на магістральній лінії зв'язку, де немає потреби в обслуговуванні та заміні обладнання. Для підключення польових пристроїв, розташованих у вибухонебезпечній зоні, використовують пристрої сполучення з функціоналом польових бар'єрів, які обмежують електричні параметри мережі для живлення датчиків і розташовані поруч з об'єктом управління. У цьому випадку на всьому протязі сегмента використовується вид вибухозахисту Ехе (підвищений захист).
Джерело: habr.com