Foundation Fieldbus 是一种与 Profibus、Modbus 或 HART 一起用于自动化的数字通信系统。 该技术比其竞争对手出现得晚一些：该标准的第一版可以追溯到 1996 年，目前包括两种用于网络参与者之间信息交换的协议 - H1 和 HSE（高速以太网）。
H1协议用于传感器和控制器层面的信息交换，其网络基于IEC 61158-2物理层标准，允许数据传输速率为31,25 kbit/s。 在这种情况下，可以从数据总线向现场设备供电。 HSE网络基于高速以太网（100/1000 Mbit/s），用于构建控制器和企业管理系统层面的自动化过程控制系统网络。
该技术适用于任何工业设施的自动化过程控制系统的构建，但在石油和天然气工业以及化学工业的企业中应用最为广泛。
技术能力
Foundation Fieldbus 是作为基于模拟传感器的传统模型的自动化控制系统的替代方案而开发的，与传统模型和基于 Profibus 或 HART 的数字系统相比具有许多优势。
主要优点之一是系统的高度可靠性和容错能力 H1，这是由于两个因素实现的：
- 在现场使用智能设备（传感器和执行器）；
- 无需控制器参与即可直接在现场级设备之间组织信息交换的能力。
现场设备的智能在于能够实现传统上在控制器中实现的控制和信息处理算法。 实际上，即使控制器发生故障，这也允许系统继续运行。 这需要适当配置现场设备并提供可靠的现场总线电源。
控制系统的数字化和智能传感器的使用带来的额外好处包括能够从每个现场设备获取超出测量范围的更多数据，最终扩大传统模拟系统中仅限于信号输入/输出系统的过程监控范围..
在 H1 网络中使用总线拓扑可以减少电缆线路的长度、安装工作量，并消除在控制系统中使用额外设备：输入/输出模块、电源以及危险区域 - Spark保护屏障。
H1 允许使用 4-20 mA 传感器通信电缆，可在升级旧控制系统时使用。 由于采用本质安全原理，该技术被积极用于爆炸性环境。 标准化本身保证了不同制造商的设备的互换性和兼容性，并且借助网关设备，可以连接现场设备网络和基于以太网的企业工业控制系统网络。
Foundation Fieldbus H1 与 Profibus PA 系统最相似。 两种技术都基于相同的物理层标准，因此这些系统具有相同的数据传输速率、曼彻斯特编码的使用、通信线路的电气参数、可能的传输功率以及网络中允许的最大电缆长度段（1900米）。 此外，在这两个系统中都可以使用最多 4 个中继器，因此网段长度已经达到 9,5 公里。 控制系统中可能的网络拓扑以及确保本质安全的原则是常见的。
系统组成
基金会现场总线 H1 网络的主要元素包括：
- 分散控制系统（DCS）控制器；
- 现场总线电源；
- 块或模块化接口设备；
- 总线终结器；
- 智能现场设备。
该系统还可能包含网关设备（链接设备）、协议转换器、SPD和中继器。
网络拓扑结构
H1网络中一个重要的概念是段的概念。 它是一条主通信线路（干线），并有从其延伸的分支（支线），现场设备连接到该分支。 干线电缆起始于总线电源，通常终止于最后一个接口设备。 控制器和现场设备之间的通信允许采用四种类型的拓扑：点对点、环路、总线和树形。 每个段都可以使用单独的拓扑或使用它们的组合来构建。
通过点对点拓扑，每个现场设备都直接连接到控制器。 在这种情况下，每个连接的现场设备形成其自己的网段。 这种拓扑结构很不方便，因为它剥夺了系统几乎所有基金会现场总线固有的优势。 控制器上的接口太多，要从数据总线为现场设备供电，每条通信线路都必须有自己的现场总线电源。 通信线路长度过长，设备之间的信息交换仅通过控制器进行，无法利用H1系统的高容错原理。
环路拓扑意味着现场设备彼此串行连接。 在这里，所有现场设备都合并为一个段，从而可以使用更少的资源。 然而，这种拓扑结构也有缺点——首先，有必要提供一种方法，使中间传感器之一的故障不会导致与其他传感器的通信丢失。 另一个缺点是缺乏对通信线路短路的保护，在这种情况下，网段中的信息交换将不可能。
另外两种网络拓扑具有最大的可靠性和实用性——总线和树形拓扑，在构建H1网络时在实践中发现了最大的分布。 这些拓扑背后的想法是使用接口设备将现场设备连接到主干网。 耦合设备允许每个现场设备连接到其自己的接口。
网络设置
构建 H1 网络时的重要问题是其物理参数 - 一个网段中可以使用多少个现场设备、一个网段的最大长度是多少、分支可以有多长。 这些问题的答案取决于现场设备的电源类型和能耗，以及危险区域确保本质安全的方法。
仅当现场设备由现场本地电源供电并且本质安全不可用时，才能实现分段中现场设备的最大数量 (32)。 当从数据总线为传感器和执行器供电时，设备的最大数量可能仅为 12 个或更少，具体取决于本质安全方法。
现场设备的数量对供电方法和确保本质安全的方法的依赖性。
网段的长度由所使用的电缆类型决定。 使用 A 型电缆（带屏蔽的双绞线）时，最大长度可达 1900 m。 当使用 D 型电缆（非带公共屏蔽的绞合多芯电缆）时 - 仅 200 m。一段长度被理解为主电缆及其所有分支的长度之和。
线段长度取决于电缆类型。
分支的长度取决于网段中设备的数量。 因此，当设备数量达到 12 台时，最大长度为 120 m。当在一个网段中使用 32 个设备时，分支的最大长度仅为 1 m。当使用环路连接现场设备时，每个附加设备分支长度减少 30 m。
主电缆的分支长度取决于网段中现场设备的数量。
所有这些因素都直接影响系统的结构和拓扑。 为了加快网络设计过程，需要使用特殊的软件包，例如 FieldComm Group 的 DesignMate 或 Phoenix Contact 的 Fieldbus Network Planner。 该程序允许您计算 H1 网络的物理和电气参数，同时考虑所有可能的限制。
系统组件的用途
控制者
控制器的任务是实现链路活动调度器（LAS）的功能，LAS是通过发送服务消息来管理网络的主要设备。 LAS 通过计划（预定）或非预定消息启动网络参与者之间的信息交换，诊断并同步所有设备。
此外，控制器负责现场设备的自动寻址并充当网关设备，提供以太网接口，用于基于基金会现场总线HSE或其他通信协议与上层控制系统进行通信。 在系统的顶层，控制器提供操作员监视和控制功能，以及现场设备的远程配置功能。
网络中可能存在多个Active Link Scheduler，保证其中嵌入的功能的冗余性。 在现代系统中，LAS 功能可以在网关设备中实现，该网关设备充当基于基金会现场总线 HSE 以外的标准构建的控制系统的协议转换器。
现场总线电源
H1 网络中的电源系统起着关键作用，因为要进行数据交换，数据电缆中的电压必须保持在 9 至 32 V DC 范围内。 无论现场设备是由数据总线还是现场电源供电，网络都需要总线电源。
因此，它们的主要目的是维持总线上所需的电气参数，以及为连接到网络的设备供电。 总线电源与传统电源的不同之处在于，总线电源在数据传输频率下具有相应的输出电路阻抗。 如果直接使用1V或12V电源为H24网络供电，信号将会丢失，总线上的信息交换将无法进行。
冗余现场总线电源 FB-PS（4 段组件）。
鉴于提供可靠总线电源的重要性，每个网段的电源可以是冗余的。 Phoenix Contact FB-PS 电源支持自动电流平衡技术。 ASV 在电源之间提供对称负载，这对其温度条件产生有益影响，并最终延长其使用寿命。
H1 电源系统通常位于控制柜内。
接口设备
耦合设备旨在将一组现场设备连接到主数据总线。 根据其执行的功能，它们分为两种类型：段保护模块（Segment Protectors）和现场屏障（Field Barriers）。
无论哪种类型，接口设备都可以保护网络免受输出线路短路和过电流的影响。 当发生短路时，接口设备会阻塞接口端口，防止短路波及到整个系统，从而保证其他网络设备之间的信息交换。 线路短路消除后，之前被阻塞的通讯端口又开始工作。
现场屏障还提供主总线的非本质安全电路和所连接的现场设备（分支）的本质安全电路之间的电流隔离。
从物理上来说，接口设备也有两种类型——块式和模块化。 具有分段保护功能的 FB-12SP 类型块接口设备允许您使用本质安全 IC 电路连接 2 区中的现场设备，而 FB-12SP ISO 现场安全栅允许您使用本质安全 IA 连接 1 区和 0 区中的设备电路。
Phoenix Contact 的 FB-12SP 和 FB-6SP 耦合器。
模块化设备的优点之一是能够通过选择连接现场设备所需的通道数量来扩展系统。 此外，模块化设备允许创建灵活的结构。 在一台配电柜中，可以将分段保护模块和现场屏障结合起来，即将位于不同爆炸危险区域的现场设备从一台柜连接起来。 一根总线上总共可安装多达 12 个双通道 FB-2SP 模块或单通道 FB-ISO 栅栏模块，从而从一个机柜连接到 24 区中的 2 个现场设备或 12 区或 1 区中最多 0 个传感器。 XNUMX。
接口设备可在较宽的温度范围内运行，并安装在防爆外壳Ex e、Ex d中，防尘防潮等级至少为IP54，包括尽可能靠近控制对象。
电涌保护装置
H1现场级网络可以形成很长的网段，并且通信线路可以在可能出现浪涌的地方运行。 脉冲过电压被理解为由闪电放电或附近电缆线路短路引起的感应电势差。 其大小为数千伏的感应电压引起数千安培的放电电流。 所有这些现象都发生在几微秒内，但可能导致 H1 网络组件发生故障。 为了保护设备免受此类现象的影响，有必要使用SPD。 使用 SPD 代替传统的馈通端子可保证系统在恶劣条件下可靠、安全的运行。
其工作原理是基于在电路中使用纳秒范围内的准短路来流动放电电流，该电路使用能够承受如此大小的电流流动的元件。
SPD 有多种类型：单通道、双通道、带可更换插头、具有各种类型的诊断功能 - 指示灯、干触点形式。 菲尼克斯电气最先进的诊断工具使您能够使用基于以太网的数字服务监控电涌保护器。 该公司位于俄罗斯的工厂生产经认证可在爆炸性环境中使用的设备，包括基金会现场总线系统。
总线终结器
终端器在网络中执行两个功能 - 它分流因信号调制而产生的现场总线电流，并防止信号从主线末端反射，从而防止出现噪声和抖动（相位抖动）的数字信号）。 因此，终结器可以让您避免网络上出现不准确的数据或完全丢失数据。
H1 网络的每个网段的每一端都必须有两个终结器。 菲尼克斯电气总线电源和耦合器配备了可切换终端器。 例如，由于错误而导致网络中出现额外的终结器，将显着降低接口线路中的信号电平。
各部分之间的信息交换
现场设备之间的信息交换不仅限于一个网段，还可以在网络的不同部分之间进行，这些网络可以通过控制器或基于以太网的工厂网络进行连接。 在这种情况下，可以使用 Foundation Fieldbus HSE 协议或更流行的协议，例如 Modbus TCP。
构建HSE网络时，使用工业级交换机。 该协议允许环冗余。 在这种情况下，值得记住的是，在环形拓扑中，交换机必须根据规模和通信通道中断时所需的网络收敛时间使用其中一种冗余协议（RSTP、MRP 或扩展环冗余）。
使用 OPC 技术可以将基于 HSE 的系统与第三方系统集成。
防爆方法
要创建防爆系统，仅以设备的防爆特性和选择其在现场的正确位置为指导是不够的。 在系统内，每个设备并不单独运行，而是在单个网络中运行。 在基金会现场总线H1网络中，位于不同危险区域的设备之间的信息交换不仅涉及数据的传输，还涉及电能的传输。 在一个区域可接受的能量在另一区域可能不可接受。 因此，为了评估现场网络的爆炸安全性并选择确保其爆炸安全性的最佳方法，需要采用系统方法。 在这些方法中，应用最广泛的是确保本质安全的方法。
就现场总线而言，目前有几种方法可以实现本质安全：传统的IS屏障方法、FISCO概念和高功率干线技术（HPT）。
第一个基于 IS 屏障的使用，并实施了已在基于 4-20 mA 模拟信号的控制系统中使用的经过验证的概念。 此方法简单可靠，但将危险区域 0 和 1 中现场设备的电源限制为 80 mA。 在这种情况下，根据乐观预测，每个网段可以连接不超过 4 个现场设备，消耗 20 mA，但实际上不超过 2 个。在这种情况下，系统将失去现有的所有优势在基金会现场总线中，实际上导致了点对点的拓扑结构，当要连接大量现场设备时，必须将系统划分为许多段。 这种方法也极大地限制了主缆和分支的长度。
FISCO概念由“德国国家计量研究所”提出，后来被纳入IEC标准，随后又被纳入GOST。 为了确保现场网络的本质安全，该概念涉及使用满足某些限制的组件。 对于电源在输出功率方面也有类似的限制，对于现场设备在功耗和电感方面也有类似的限制，对于电缆在电阻、电容和电感方面也有类似的限制。 此类限制是由于电容性和电感性元件可以积聚能量，在紧急模式下，如果系统的任何元件损坏，这些能量可以被释放并引起火花放电。 此外，该概念禁止在总线电源系统中使用冗余。
与场屏障方法相比，FISCO 可为危险区域中的供电设备提供更大的电流。 这里提供 115 mA 电流，可用于为该段中的 4-5 个设备供电。 但主干电缆和分支电缆的长度也有限制。
高功率干线技术是目前基金会现场总线网络中最常见的本质安全技术，因为它没有屏障保护或FISCO网络中存在的缺点。 利用HPT，可以实现一个网段内现场设备的限制。
该技术不会在不必要的情况下限制网络的电气参数，例如在不需要维护和更换设备的骨干通信线路上。 为了连接位于爆炸区域的现场设备，需要使用具有现场屏障功能的接口设备，这些接口设备限制为传感器供电的网络的电气参数，并且直接位于控制对象旁边。 在这种情况下，整个段都使用防爆类型 Ex e（增强防护）。
来源： habr.com