Foundation Fieldbus 是一種與 Profibus、Modbus 或 HART 一起用於自動化的數位通訊系統。 該技術比其競爭對手出現得晚一些：該標準的第一版可以追溯到 1996 年，目前包括兩種用於網路參與者之間資訊交換的協定 - H1 和 HSE（高速乙太網路）。
H1協定用於感測器和控制器層面的資訊交換，其網路基於IEC 61158-2物理層標準，允許資料傳輸速率為31,25 kbit/s。 在這種情況下，可以從資料匯流排向現場設備供電。 HSE網路是基於高速乙太網路（100/1000Mbit/s），用於建構控制器和企業管理系統層面的自動化過程控制系統網路。
該技術適用於任何工業設施的自動化過程控制系統的構建，但在石油和天然氣工業以及化學工業的企業中應用最為廣泛。
技術能力
Foundation Fieldbus 是作為基於類比感測器的傳統模型的自動化控制系統的替代方案而開發的，與傳統模型和基於 Profibus 或 HART 的數位系統相比具有許多優勢。
主要優點之一是系統的高度可靠性和容錯能力 H1，這是由於兩個因素實現的：
- 在現場使用智慧型設備（感測器和執行器）；
- 無需控制器參與即可直接在現場級設備之間組織資訊交換的能力。
現場設備的智慧在於能夠實現傳統上在控制器中實現的控制和資訊處理演算法。 實際上，即使控制器發生故障，這也允許系統繼續運作。 這需要適當配置現場設備並提供可靠的現場匯流排電源。
控制系統的數位化和智慧感測器的使用帶來的額外好處包括能夠從每個現場設備獲取超出測量範圍的更多數據，最終擴大傳統類比系統中僅限於訊號輸入/輸出系統的製程監控範圍..
在H1網路中使用匯流排拓撲可以減少電纜線路的長度、安裝工作量，並消除控制系統中額外設備的使用：輸入/輸出模組、電源和危險區域 -火花防護屏障。
H1 允許使用 4-20 mA 感知器通訊電纜，可在升級舊控制系統時使用。 由於採用本質安全原理，該技術被積極用於爆炸性環境。 標準化本身保證了不同製造商的設備的互換性和相容性，並且借助網關設備，可以連接現場設備網路和基於乙太網路的企業工業控制系統網路。
Foundation Fieldbus H1 與 Profibus PA 系統最相似。 兩種技術都基於相同的物理層標準，因此這些系統具有相同的資料傳輸速率、曼徹斯特編碼的使用、通訊線路的電氣參數、可能的傳輸功率以及網路中允許的最大電纜長度段（1900公尺）。 此外，在這兩個系統中都可以使用最多 4 個中繼器，因此網段長度已達到 9,5 公里。 控制系統中可能的網路拓撲以及確保本質安全的原則是常見的。
系統組成
基金會現場匯流排 H1 網路的主要元素包括：
- 分散式控制系統（DCS）控制器；
- 現場總線電源；
- 塊或模組化介面設備；
- 總線終結器；
- 智慧現場設備。
該系統還可能包含網關設備（連結設備）、協定轉換器、SPD和中繼器。
網絡拓撲結構
H1網路中一個重要的概念是段的概念。 它是一條主通訊線路（幹線），並有從其延伸的分支（支線），現場設備連接到該分支。 幹線電纜起始於總線電源，通常終止於最後一個介面設備。 控制器和現場設備之間的通訊允許採用四種類型的拓撲：點對點、環路、匯流排和樹形。 每個段都可以使用單獨的拓撲或使用它們的組合來建構。
透過點對點拓撲，每個現場設備都直接連接到控制器。 在這種情況下，每個連接的現場設備形成自己的網段。 這種拓樸結構很不方便，因為它剝奪了系統幾乎所有基金會現場匯流排固有的優勢。 控制器上的介面太多，要從資料匯流排為現場設備供電，每條通訊線路都必須有自己的現場匯流排電源。 通訊線路長度過長，設備間的資訊交換僅透過控制器進行，無法利用H1系統的高容錯原理。
環路拓撲意味著現場設備彼此串行連接。 在這裡，所有現場設備都合併為一個段落，從而可以使用更少的資源。 然而，這種拓撲結構也有缺點——首先，有必要提供一種方法，使中間感測器之一的故障不會導致與其他感測器的通訊遺失。 另一個缺點是缺乏對通訊線路短路的保護，在這種情況下，網段中的資訊交換將不可能。
另外兩種網路拓撲具有最大的可靠性和實用性——總線和樹形拓撲，在建構H1網路時在實踐中發現了最大的分佈。 這些拓撲背後的想法是使用介面設備將現場設備連接到主幹網路。 耦合設備允許每個現場設備連接到自己的介面。
網絡設置
建置 H1 網路時的重要問題是其實體參數 - 一個網段中可以使用多少個現場設備、一個網段的最大長度是多少、分支可以有多長。 這些問題的答案取決於現場設備的電源類型和能耗，以及危險區域確保本質安全的方法。
只有當現場設備由現場本地電源供電且本質安全且不可用時，才能實現分段中現場設備的最大數量 (32)。 當從資料匯流排為感測器和執行器供電時，設備的最大數量可能僅為 12 個或更少，具體取決於本質安全方法。
現場設備的數量對供電方法和確保本質安全的方法的依賴。
網段的長度由所使用的電纜類型決定。 使用 A 型電纜（有屏蔽的雙絞線）時，最大長度可達 1900 m。 當使用 D 型電纜（非公共屏蔽的絞合多芯電纜）時 - 僅 200 m。一段長度被理解為主電纜及其所有分支的長度總和。
線段長度取決於電纜類型。
分支的長度取決於網段中設備的數量。 因此，當設備數量達到 12 台時，最大長度為 120 m。當在一個網段中使用 32 個設備時，分支的最大長度僅為 1 m。當使用環路連接現場設備時，每個附加設備分支長度減少30 m。
主電纜的分支長度取決於網段中現場設備的數量。
所有這些因素都直接影響系統的結構和拓撲。 為了加快網路設計流程，需要使用特殊的軟體包，例如 FieldComm Group 的 DesignMate 或 Phoenix Contact 的 Fieldbus Network Planner。 該程式可讓您計算 H1 網路的實體和電氣參數，同時考慮所有可能的限制。
系統組件的用途
控制者
控制器的任務是實現鏈路活動調度器（LAS）的功能，LAS是透過發送服務訊息來管理網路的主要設備。 LAS 透過計畫（預定）或非預定訊息啟動網路參與者之間的資訊交換，診斷並同步所有裝置。
此外，控制器負責現場設備的自動尋址並充當網關設備，提供乙太網路接口，用於基於基金會現場總線HSE或其他通訊協定與上層控制系統進行通訊。 在系統的頂層，控制器提供操作員監控和控制功能，以及現場設備的遠端配置功能。
網路中可能存在多個Active Link Scheduler，保證其中嵌入的功能的冗餘性。 在現代系統中，LAS 功能可以在網關設備中實現，該設備充當基於基金會現場總線 HSE 以外的標準構建的控制系統的協定轉換器。
現場總線電源
H1 網路中的電源系統起著關鍵作用，因為要進行資料交換，資料電纜中的電壓必須保持在 9 至 32 V DC 範圍內。 無論現場設備是由資料匯流排還是現場電源供電，網路都需要匯流排電源。
因此，它們的主要目的是維持總線上所需的電氣參數，以及為連接到網路的設備供電。 匯流排電源與傳統電源的不同之處在於，匯流排電源在資料傳輸頻率下具有對應的輸出電路阻抗。 若直接使用1V或12V電源為H24網路供電，訊號將會遺失，總線上的資訊交換將無法進行。
冗餘現場匯流排電源 FB-PS（4 段組件）。
鑑於提供可靠匯流排電源的重要性，每個網段的電源可以是冗餘的。 Phoenix Contact FB-PS 電源支援自動電流平衡技術。 ASV 在電源之間提供對稱負載，這對其溫度條件產生有益影響，並最終延長其使用壽命。
H1 電源系統通常位於控制櫃內。
介面設備
耦合設備旨在將一組現場設備連接到主資料匯流排。 根據其執行的功能，它們分為兩種類型：段保護模組（Segment Protectors）和現場屏障（Field Barriers）。
無論哪種類型，介面設備都可以保護網路免受輸出線路短路和過電流的影響。 當發生短路時，介面設備會阻塞介面端口，防止短路波及到整個系統，從而確保其他網路設備之間的資訊交換。 線路短路消除後，先前被阻塞的通訊埠又開始工作。
現場屏障還提供主匯流排的非本質安全電路和所連接的現場設備（分支）的本質安全電路之間的電流隔離。
從物理上來說，介面設備也有兩種類型——塊式和模組化。 具有分段保護功能的FB-12SP 類型區塊介面設備可讓您使用本質安全IC 電路連接2 區中的現場設備，而FB-12SP ISO 現場安全柵可讓您使用本質安全IA 連接1 區和0 區中的設備電路。
Phoenix Contact 的 FB-12SP 和 FB-6SP 耦合器。
模組化設備的優點之一是能夠透過選擇連接現場設備所需的通道數量來擴展系統。 此外，模組化設備允許創建靈活的結構。 在一台配電櫃中，可以將分段保護模組和現場屏障結合起來，即將位於不同爆炸危險區域的現場設備從一台櫃子連接起來。 一條總線上總共可安裝多達12 個雙通道FB-2SP 模組或單通道FB-ISO 柵欄模組，從而從一個機櫃連接到24 區中的2 個現場設備或12 區或1 區中最多0 個感測器。 XNUMX。
介面設備可在較寬的溫度範圍內運行，並安裝在防爆外殼Ex e、Ex d中，防塵防潮等級至少為IP54，包括盡可能靠近控制物件。
電湧保護裝置
H1現場級網路可以形成很長的網段，並且通訊線路可以在可能出現突波的地方運作。 脈衝過電壓被理解為由閃電放電或附近電纜線路短路引起的感應電位差。 其大小為數千伏特的感應電壓引起數千安培的放電電流。 所有這些現像都發生在幾微秒內，但可能導致 H1 網路組件發生故障。 為了保護設備免受此類現象的影響，有必要使用SPD。 使用 SPD 取代傳統的饋通端子可確保系統在惡劣條件下可靠、安全的運作。
其工作原理是基於在電路中使用奈秒範圍內的準短路來流動放電電流，該電路使用能夠承受如此大小的電流流動的元件。
SPD 有多種類型：單通道、雙通道、帶可更換插頭、具有各種類型的診斷功能 - 指示燈、乾觸點形式。 菲尼克斯電氣最先進的診斷工具使您能夠使用基於乙太網路的數位服務監控電湧保護器。 該公司位於俄羅斯的工廠生產經認證可在爆炸性環境中使用的設備，包括基金會現場匯流排系統。
總線終結器
終端器在網路中執行兩個功能 - 它分流因訊號調製而產生的現場匯流排電流，並防止訊號從主線末端反射，從而防止雜訊和抖動（相位抖動）的數位訊號）。 因此，終結器可以讓您避免網路上出現不準確的資料或完全遺失資料。
H1 網路的每個網段的每一端都必須有兩個終結器。 菲尼克斯電氣總線電源和耦合器配備了可切換終端器。 例如，由於錯誤而導致網路中出現額外的終端器，將顯著降低介面線路中的訊號電平。
各部分之間的資訊交換
現場設備之間的資訊交換不僅限於一個網段，還可以在網路的不同部分之間進行，這些網路可以透過控制器或基於乙太網路的工廠網路進行連接。 在這種情況下，可以使用 Foundation Fieldbus HSE 協定或更受歡迎的協議，例如 Modbus TCP。
建構HSE網路時，使用工業級交換器。 該協定允許環冗餘。 在這種情況下，值得記住的是，在環形拓撲中，交換器必須根據規模和通訊通道中斷時所需的網路收斂時間使用其中一種冗餘協定（RSTP、MRP 或擴展環冗餘）。
使用 OPC 技術可以將基於 HSE 的系統與第三方系統整合。
防爆方法
要創建防爆系統，僅以設備的防爆特性和選擇其在現場的正確位置為指導是不夠的。 在系統內，每個設備並非單獨運行，而是在單一網路中運行。 在基金會現場匯流排H1網路中，位於不同危險區域的設備之間的資訊交換不僅涉及資料的傳輸，還涉及電能的傳輸。 在一個區域可接受的能量在另一個區域可能不可接受。 因此，為了評估現場網路的爆炸安全性並選擇確保其爆炸安全性的最佳方法，需要採用系統方法。 在這些方法中，確保本質安全的方法應用最為廣泛。
就現場匯流排而言，目前有幾種方法可以實現本質安全：傳統的IS屏障方法、FISCO概念和高功率幹線技術（HPT）。
第一個基於 IS 屏障的使用，並實施了已在基於 4-20 mA 模擬訊號的控制系統中使用的經過驗證的概念。 此方法簡單可靠，但將危險區域 0 和 1 中現場設備的電源限制為 80 mA。 在這種情況下，根據樂觀預測，每個網段可以連接不超過 4 個現場設備，消耗 20 mA，但實際上不超過 2 個。在這種情況下，系統將失去現有的所有優勢在在基金會現場匯流排中，實際上導致了點對點的拓撲結構，當要連接大量現場設備時，必須將系統劃分為許多段。 這種方法也大大限制了主纜和分支的長度。
FISCO概念由「德國國家計量研究所」提出，後來納入IEC標準，隨後納入GOST。 為了確保現場網路的本質安全，該概念涉及使用滿足某些限制的組件。 對於電源供應器在輸出功率方面也有類似的限制，對於現場設備在功耗和電感方面也有類似的限制，對於電纜在電阻、電容和電感方面也有類似的限制。 此類限制是由於電容性和電感性元件可以積聚能量，在緊急模式下，如果系統的任何元件損壞，這些能量可以被釋放並引起火花放電。 此外，該概念禁止在總線電源系統中使用冗餘。
與場屏障方法相比，FISCO 可為危險區域中的供電設備提供更大的電流。 這裡提供 115 mA 電流，可用於為該段的 4-5 個設備供電。 但主幹電纜和分支電纜的長度也有限制。
高功率幹線技術是目前基金會現場匯流排網路中最常見的本質安全技術，因為它沒有屏障保護或FISCO網路中存在的缺點。 利用HPT，可以實現一個網段內現場設備的限制。
該技術不會在不必要的情況下限製網路的電氣參數，例如在不需要維護和更換設備的骨幹通訊線路上。 為了連接位於爆炸區域的現場設備，需要使用具有現場屏障功能的介面設備，這些設備限制為感測器供電的網路的電氣參數，並且直接位於控制對象旁邊。 在這種情況下，整個段落都使用防爆類型 Ex e（增強防護）。
來源： www.habr.com