Foundation Fieldbus — это цифровая система связи, используемая в автоматизации наряду с Profibus, Modbus или HART. Технология появилась несколько позже конкурентов: первая редакция стандарта датируется 1996 годом и на данный момент включает два протокола обмена информацией между участниками сети — H1 и HSE (High Speed Ethernet).
Для обмена информацией на уровне датчика и контроллера используется протокол H1, а его сеть основана на стандарте физического уровня МК 61158-2, обеспечивающем скорость передачи данных 31,25 кбит/с.
В этом случае можно подавать питание на полевые устройства от шины данных.
Сеть ВШ? построена на базе высокоскоростных сетей Ethernet (100/1000 Мбит/с) и используется для построения сети АСУ ТП на уровне контроллеров и систем управления предприятием.
Технология применима при построении АСУ ТП на любых промышленных объектах, но наибольшее распространение она получила на предприятиях нефтегазовой отрасли и химической промышленности.
Технологические возможности
Foundation Fieldbus был разработан как альтернатива традиционной модели автоматизированных систем управления на базе аналоговых датчиков и имеет ряд преимуществ как перед традиционной моделью, так и перед цифровыми системами на базе Profibus или HART. Одним из основных преимуществ является высокая степень надежности и отказоустойчивости систем.Фондовая полевая шина H1, что достигается за счет двух факторов:
- использование интеллектуальных устройств (датчиков и исполнительных механизмов) на полевом уровне;
- возможность организовать обмен информацией непосредственно между устройствами полевого уровня без участия контроллера.
На практике это позволяет системе продолжать работу даже в случае отказа контроллера.
Для этого необходимо правильно сконфигурировать полевые устройства и обеспечить надежный источник питания полевой шины.
Дополнительные преимущества, получаемые от цифровизации системы управления и использования интеллектуальных датчиков, включают возможность получать больше данных, помимо измерения, от каждого полевого устройства, что в конечном итоге расширяет объем мониторинга процесса, который в традиционных аналоговых системах ограничивается системой ввода/вывода сигналов.
.
.
Использование шинной топологии в сети Н1 позволяет сократить длину кабельных линий, объем монтажных работ, а также исключить использование дополнительного оборудования в системах управления: модулей ввода/вывода, источников питания, а во взрывоопасных зонах – искробезопасных.
защитные барьеры.
Фондовая полевая шина H1 позволяет использовать кабели связи датчиков 4–20 мА, которые можно использовать при модернизации старых систем управления.
Благодаря использованию принципов искробезопасности технология активно применяется во взрывоопасных средах.
Сама стандартизация гарантирует взаимозаменяемость и совместимость оборудования разных производителей, а благодаря шлюзовым устройствам можно сопрягать сеть полевых устройств и сеть АСУ ТП предприятий, построенную на Ethernet. Foundation Fieldbus H1 больше всего похож на системы Profibus PA. Обе технологии основаны на одном и том же стандарте физического уровня, поэтому эти системы имеют одинаковые скорости передачи данных, использование манчестерского кодирования, электрические параметры линии связи, величину возможной передаваемой мощности и максимально допустимую длину кабеля в сети.
сегмент (1900 м).
Также в обеих системах можно использовать до 4 репитеров, благодаря чему длина сегмента может достигать уже 9,5 км.
Возможные сетевые топологии в системе управления, а также принципы обеспечения искробезопасности являются общими.
Системные компоненты
Основными элементами сети Foundation Fieldbus H1 являются:- контроллер децентрализованной системы управления (РСУ);
- источники питания полевой шины;
- блочные или модульные интерфейсные устройства;
- автобусные терминаторы;
- интеллектуальные полевые устройства.
Топология сети
Важным понятием в сети H1 является понятие сегмента.Это основная линия связи (Trunk) с отходящими от нее ответвлениями (Spur), к которым подключаются полевые устройства.
Магистральный кабель начинается у источника питания шины и обычно заканчивается у последнего интерфейсного устройства.
Для связи между контроллером и полевыми устройствами разрешены четыре типа топологии: «точка-точка», «кольцо», «шина» и «дерево».
Каждый сегмент может быть построен как с использованием отдельной топологии, так и с использованием их комбинаций.
При топологии «точка-точка» каждое полевое устройство подключается непосредственно к контроллеру.
В этом случае каждое подключенное полевое устройство образует собственный сегмент сети.
Такая топология неудобна, поскольку лишает систему практически всех преимуществ, присущих Foundation Fieldbus. На контроллере слишком много интерфейсов, и для питания полевых устройств от шины данных каждая линия связи должна иметь собственный источник питания полевой шины.
Длина линий связи оказывается слишком большой, а обмен информацией между устройствами осуществляется только через контроллер, что не позволяет использовать принцип высокой отказоустойчивости систем H1. Петлевая топология подразумевает последовательное соединение полевых устройств друг с другом.
Здесь все полевые устройства объединены в один сегмент, что позволяет использовать меньше ресурсов.
Однако такая топология имеет и недостатки – прежде всего необходимо предусмотреть методы, при которых выход из строя одного из промежуточных датчиков не приведет к потере связи с остальными.
Еще один недостаток объясняется отсутствием защиты от короткого замыкания в линии связи, при котором обмен информацией на сегменте будет невозможен.
Наибольшей надежностью и практичностью обладают две другие топологии сети – шинная и древовидная, которые нашли наибольшее распространение на практике при построении сетей H1. Идея этих топологий заключается в использовании интерфейсных устройств для подключения полевых устройств к магистральной сети.
Устройства связи позволяют подключать каждое полевое устройство к собственному интерфейсу.
Настройки сети
Важными вопросами при построении сети H1 являются ее физические параметры – сколько полевых устройств можно использовать в сегменте, какова максимальная длина сегмента, какой длины могут быть ответвления.Ответ на эти вопросы зависит от типа электропитания и энергопотребления полевых устройств, а для опасных зон – методов обеспечения искробезопасности.
Максимальное количество полевых устройств в сегменте (32) может быть достигнуто только в том случае, если они питаются от местных источников на площадке и если искробезопасность отсутствует. При питании датчиков и исполнительных устройств от шины данных максимальное количество устройств может составлять не более 12 или меньше в зависимости от методов искробезопасности.
Зависимость количества полевых устройств от способа электропитания и способов обеспечения искробезопасности.
Длина сегмента сети определяется типом используемого кабеля.
Максимальная длина 1900 м достигается при использовании кабеля типа А (витая пара с экраном).
При использовании кабеля типа Д (нескрученный многожильный кабель с общим экраном) – всего 200 м.
Под длиной отрезка понимают сумму длин основного кабеля и всех ответвлений от него.
Зависимость длины сегмента от типа кабеля.
Длина ветвей зависит от количества устройств в сегменте сети.
Итак, при количестве устройств до 12 это максимум 120 м.
При использовании 32 устройств в сегменте максимальная длина ответвлений составит всего 1 м.
При подключении полевых устройств шлейфом каждое дополнительное устройство уменьшает длину ответвления на 30 м.
Зависимость длины ответвлений от основного кабеля от количества полевых устройств в сегменте.
Все эти факторы напрямую влияют на структуру и топологию системы.
Для ускорения процесса проектирования сети используются специальные пакеты программного обеспечения, такие как DesignMate от FieldComm Group или Fieldbus Network Planner от Phoenix Contact. Программы позволяют рассчитать физические и электрические параметры сети Н1 с учетом всех возможных ограничений.
Назначение компонентов системы
Контроллер Задача контроллера — реализация функций Link Active Scheduler (LAS) — основного устройства, управляющего сетью посредством отправки служебных сообщений.LAS инициирует обмен информацией между участниками сети плановыми (запланированными) или внеплановыми сообщениями, диагностирует и синхронизирует все устройства.
Кроме того, контроллер отвечает за автоматическую адресацию полевых устройств и действует как шлюзовое устройство, предоставляя интерфейс Ethernet для связи с верхним уровнем системы управления на основе Foundation Fieldbus HSE или другого протокола связи.
На верхнем уровне системы контроллер обеспечивает функции операторского контроля и управления, а также функции удаленной настройки полевых устройств.
В сети может быть несколько планировщиков Active Link, гарантирующих резервирование заложенных в них функций.
В современных системах функции LAS могут быть реализованы в шлюзовом устройстве, которое действует как преобразователь протоколов для систем управления, построенных на стандарте, отличном от Foundation Fieldbus HSE. Источники питания полевой шины Система электропитания в сети H1 играет ключевую роль, поскольку для возможности обмена данными напряжение в кабеле передачи данных должно поддерживаться в диапазоне от 9 до 32 В постоянного тока.
Независимо от того, питаются ли полевые устройства от шины данных или от полевых источников питания, для сети требуются источники питания по шине.
Поэтому их основное предназначение — поддержание необходимых электрических параметров на шине, а также питание подключенных к сети устройств.
Блоки питания по шине отличаются от обычных блоков питания тем, что имеют соответствующее сопротивление выходной цепи на частотах передачи данных.
Если для питания сети H1 напрямую использовать источники питания 12 или 24 В, то сигнал будет потерян и обмен информацией по шине будет невозможен.
Резервированные источники питания полевой шины FB-PS (сборка на 4 сегмента).
Учитывая важность обеспечения надежного питания шины, источники питания для каждого сегмента сети могут быть резервными.
Блоки питания Phoenix Contact FB-PS поддерживают технологию автоматической балансировки тока.
АСВ обеспечивает симметричную нагрузку между источниками питания, что благотворно влияет на их температурный режим и в конечном итоге приводит к увеличению срока их службы.
Система электропитания H1 обычно располагается в шкафу контроллера.
Интерфейсные устройства Устройства связи предназначены для подключения группы полевых устройств к основной шине данных.
По выполняемым функциям они делятся на два типа: модули защиты сегментов (Segment Protectors) и полевые барьеры (Field Barriers).
Независимо от типа интерфейсные устройства защищают сеть от коротких замыканий и сверхтоков в отходящих линиях.
При возникновении короткого замыкания интерфейсное устройство блокирует интерфейсный порт, предотвращая распространение короткого замыкания по системе и гарантируя тем самым обмен информацией между другими сетевыми устройствами.
После устранения короткого замыкания на линии ранее заблокированный порт связи снова начинает работать.
Полевые барьеры дополнительно обеспечивают гальваническую развязку между неискробезопасными цепями главной шины и искробезопасными цепями подключаемых полевых устройств (ветвей).
Физически интерфейсные устройства также бывают двух типов – блочные и модульные.
Блочные интерфейсные устройства типа FB-12SP с функцией сегментной защиты позволяют использовать искробезопасные цепи IC для подключения полевых устройств в Зоне 2, а полевые барьеры ISO FB-12SP позволяют подключать устройства в Зонах 1 и 0 с использованием искробезопасных IA. схемы.
Соединители FB-12SP и FB-6SP от Phoenix Contact.
Одним из преимуществ модульных устройств является возможность масштабирования системы за счет выбора количества каналов, необходимых для подключения полевых устройств.
Кроме того, модульные устройства позволяют создавать гибкие конструкции.
В одном распределительном шкафу возможно объединение модулей защиты сегментов и полевых барьеров, то есть подключение к одному шкафу полевых устройств, находящихся в разных взрывоопасных зонах.
Всего на одну шину можно установить до 12 двухканальных модулей FB-2SP или одноканальных барьерных модулей FB-ISO, подключая таким образом из одного шкафа до 24 полевых устройств в Зоне 2 или до 12 датчиков в Зоне 1 или 0. Интерфейсные устройства могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур и устанавливаются во взрывозащищенных корпусах Ex e, Ex d со степенью пылевлагозащиты не ниже IP54, в том числе максимально близко к объекту управления.
Устройства защиты от перенапряжения Сети полевого уровня H1 могут образовывать очень длинные сегменты, а линии связи могут проходить в местах, где возможны скачки напряжения.
Под импульсными перенапряжениями понимают наведенную разность потенциалов, вызванную грозовыми разрядами или короткими замыканиями в близлежащих кабельных линиях.
Наведенное напряжение, величина которого порядка нескольких киловольт, вызывает протекание разрядных токов силой килоампер.
Все эти явления происходят в течение микросекунд, но могут привести к выходу из строя компонентов сети H1. Чтобы защитить оборудование от таких явлений, необходимо использовать УЗИП.
Использование УЗИП вместо обычных проходных клемм гарантирует надежную и безопасную работу системы в неблагоприятных условиях.
Принцип его работы основан на использовании квазикороткого замыкания наносекундного диапазона для протекания разрядных токов в цепи, в которой используются элементы, выдерживающие протекание токов такой величины.
Существует большое количество типов УЗИП: одноканальные, двухканальные, со сменными вилками, с различными видами диагностики - в виде поворотника, сухого контакта.
Современные диагностические инструменты Phoenix Contact позволяют контролировать устройства защиты от перенапряжения с помощью цифровых сервисов на базе Ethernet. Завод компании в России производит устройства, сертифицированные для использования во взрывоопасных средах, в том числе системы Foundation Fieldbus. Автобусный терминатор Терминатор выполняет в сети две функции – шунтирует ток полевой шины, возникающий в результате модуляции сигнала, и предотвращает отражение сигнала от концов основной линии, предотвращая тем самым появление шумов и джиттера (дрожания фазы).
цифрового сигнала).
Таким образом, терминатор позволяет избежать появления неточных данных в сети или вообще потери данных.
Каждый сегмент сети H1 должен иметь по два терминатора на каждом конце сегмента.
Источники питания и соединители шины Phoenix Contact оснащены переключаемыми терминаторами.
Наличие в сети лишних терминаторов, например, из-за ошибки, значительно снизит уровень сигнала в интерфейсной линии.
Обмен информацией между сегментами
Обмен информацией между полевыми устройствами не ограничивается одним сегментом, а возможен между различными участками сети, которые могут быть соединены через контроллер или сеть предприятия на базе Ethernet. В этом случае можно использовать протокол Foundation Fieldbus HSE или более популярный, например, Modbus TCP. При построении сети HSE используются коммутаторы промышленного уровня.Протокол допускает резервирование кольца.
При этом стоит помнить, что в кольцевой топологии коммутаторы должны использовать один из протоколов резервирования (RSTP, MRP или Extended Ring Redundancy) в зависимости от размера и необходимого времени конвергенции сети при обрыве каналов связи.
Интеграция систем на базе HSE со сторонними системами возможна с использованием технологии OPC.
Взрывозащищенные методы
Для создания взрывозащищенной системы недостаточно руководствоваться только взрывозащищенными характеристиками оборудования и выбором правильного его расположения на объекте.Внутри системы каждое устройство не функционирует самостоятельно, а работает в рамках единой сети.
В сетях Foundation Fieldbus H1 обмен информацией между устройствами, расположенными в разных опасных зонах, предполагает не только передачу данных, но и передачу электрической энергии.
Количество энергии, приемлемое в одной зоне, может быть неприемлемым в другой.
Поэтому для оценки взрывобезопасности полевых сетей и выбора оптимального метода ее обеспечения используется системный подход. Среди этих методов наибольшее распространение получили методы обеспечения искробезопасности.
Что касается полевых шин, то в настоящее время существует несколько способов достижения искробезопасности: традиционный метод искробезопасного барьера, концепция FISCO и технология магистральной линии высокой мощности (HPT).
Первый основан на использовании искробезопасных барьеров и реализует проверенную концепцию, которая применялась в системах управления на основе аналоговых сигналов 4–20 мА.
Этот метод прост и надежен, но ограничивает подачу питания на полевые устройства в опасных зонах 0 и 1 до 80 мА.
При этом по оптимистическому прогнозу можно подключить не более 4 полевых устройств на сегмент с потреблением 20 мА, а на практике не более 2. В этом случае система теряет все имеющиеся преимущества.
в Foundation Fieldbus и фактически приводит к топологии «точка-точка», когда для подключения большого количества полевых устройств систему необходимо разделить на множество сегментов.
Этот метод также существенно ограничивает длину основного кабеля и ответвлений.
Концепция FISCO была разработана Национальным метрологическим институтом Германии и позднее была включена в стандарты МК, а затем и в ГОСТ.
Для обеспечения искробезопасности полевой сети концепция предполагает использование компонентов, отвечающих определенным ограничениям.
Аналогичные ограничения сформулированы для источников питания по выходной мощности, для полевых устройств по потребляемой мощности и индуктивности, для кабелей по сопротивлению, емкости и индуктивности.
Такие ограничения связаны с тем, что емкостные и индуктивные элементы способны накапливать энергию, которая в аварийном режиме при повреждении любого элемента системы может высвободиться и вызвать искровой разряд. Кроме того, концепция запрещает использование резервирования в системе питания шины.
FISCO обеспечивает больший ток для питания устройств во взрывоопасных зонах по сравнению с методом полевого барьера.
Здесь имеется ток 115 мА, которого можно использовать для питания 4-5 устройств в сегменте.
Однако существуют также ограничения по длине основного кабеля и ответвлений.
Технология High Power Trunk в настоящее время является наиболее распространенной технологией искробезопасности в сетях Foundation Fieldbus, поскольку она не имеет недостатков, которые существуют в сетях с барьерной защитой или сетях FISCO. С помощью HPT можно достичь ограничения количества полевых устройств в сегменте сети.
Технология не ограничивает электрические параметры сети там, где в этом нет необходимости, например, на магистральной линии связи, где нет необходимости в обслуживании и замене оборудования.
Для подключения полевых устройств, находящихся во взрывоопасной зоне, используются интерфейсные устройства с функциональностью полевых барьеров, которые ограничивают электрические параметры сети питания датчиков и располагаются непосредственно рядом с объектом управления.
При этом на всем сегменте применяется тип взрывозащиты Ex e (повышенная защита).
Теги: #Сетевые технологии #сетевое оборудование #автоматизация #ICS #протоколы #Foundation Fieldbus #построение сети
-
Транзистор
19 Oct, 24 -
Изоляция Служб В Windows
19 Oct, 24 -
Браузер Следующего Поколения
19 Oct, 24 -
Создание Uitableview. Для Начинающих
19 Oct, 24
