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Foundation Fieldbus Automation Systems

Foundation Fieldbus ist ein digitales Kommunikationssystem, das zusammen mit Profibus, Modbus oder HART in der Automatisierung eingesetzt wird. Die Technologie erschien etwas später als ihre Konkurrenten: Die erste Ausgabe des Standards stammt aus dem Jahr 1996 und enthält derzeit zwei Protokolle zum Informationsaustausch zwischen Netzwerkteilnehmern - H1 und HSE (High Speed ​​Ethernet).

Das H1-Protokoll wird für den Informationsaustausch auf der Ebene von Sensoren und Steuerungen verwendet. Das Netzwerk basiert auf dem physikalischen Schichtstandard IEC 61158-2 und ermöglicht eine Datenübertragungsrate von 31,25 kbit / s. In diesem Fall kann die Stromversorgung von Feldgeräten über den Datenbus erfolgen. Das HSE-Netzwerk basiert auf Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Netzwerken (100/1000 Mbit / s) und wird zum Aufbau eines automatisierten Prozesssteuerungsnetzwerks auf der Ebene von Controllern und Unternehmensverwaltungssystemen verwendet.

Die Technologie ist beim Bau industrieller Steuerungssysteme für alle Industrieanlagen anwendbar, wird jedoch am häufigsten in Unternehmen der Öl- und Gasindustrie sowie der chemischen Industrie eingesetzt.

Technologische Merkmale


Foundation Fieldbus wurde als Alternative zum traditionellen Modell automatisierter Steuerungssysteme auf Basis analoger Sensoren entwickelt und bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem traditionellen Modell und digitalen Systemen auf Basis von Profibus oder HART.

Einer der Hauptvorteile liegt in der hohen Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz von Foundation Fieldbus H1- Systemen , die durch zwei Faktoren erreicht wird:

  • Einsatz intelligenter Geräte (Sensoren und Aktoren) auf Feldebene;
  • die Fähigkeit, den Informationsaustausch direkt zwischen Geräten auf Feldebene ohne Beteiligung eines Controllers zu organisieren.

Die Intelligenz von Feldgeräten liegt in der Fähigkeit, Steuerungs- und Informationsverarbeitungsalgorithmen festzulegen, die traditionell in der Steuerung implementiert sind. In der Praxis kann das System so weiterarbeiten, auch wenn die Steuerung ausfällt. Dies erfordert, dass die Feldgeräte entsprechend konfiguriert sind und dass ein zuverlässiges Feldbus-Stromversorgungssystem bereitgestellt wird.

Weitere Vorteile der Digitalisierung des Steuerungssystems und des Einsatzes intelligenter Sensoren sind die Möglichkeit, zusätzlich zur Messung mehr Daten von jedem Feldgerät zu empfangen, wodurch letztendlich der Prozessüberwachungsbereich erweitert wird, der in herkömmlichen analogen Systemen durch das Signaleingabe-Ausgabe-System begrenzt ist .

Durch die Verwendung der Bustopologie im H1-Netzwerk können die Länge der Kabel und der Installationsaufwand reduziert und zusätzliche Geräte in Steuerungssystemen vermieden werden: Eingangs- / Ausgangsmodule, Netzteile und Explosionsgefahrenzonen - Funkenschutzbarrieren.

Der Foundation Fieldbus H1 ermöglicht die Verwendung von 4-20-mA-Sensorkommunikationskabeln, mit denen ältere Steuerungssysteme aufgerüstet werden können. Dank der Verwendung von Sicherheitsgrundsätzen wird die Technologie in explosionsgefährdeten Bereichen aktiv eingesetzt. Die Standardisierung selbst garantiert die Austauschbarkeit und Kompatibilität von Geräten verschiedener Hersteller, und dank Gateway-Geräten ist es möglich, das Netzwerk von Feldgeräten und die Steuerungssysteme von Unternehmen, die auf Ethernet basieren, miteinander zu verbinden.

Der ähnlichste Foundation Fieldbus H1 verfügt über Profibus PA-Systeme. Beide Technologien basieren auf demselben Standard für die physikalische Schicht, sodass die Datenübertragungsraten, die Verwendung der Manchester-Codierung, die elektrischen Parameter der Kommunikationsleitung, die Menge der möglichen Sendeleistung und die maximal zulässige Kabellänge im Netzwerksegment (1900 m) für diese Systeme gleich sind. Auch in beiden Systemen können bis zu 4 Repeater eingesetzt werden, wodurch die Segmentlänge 9,5 km erreichen kann. Gemeinsam sind die möglichen Netzwerktopologien im Steuerungssystem sowie die Prinzipien der Eigensicherheit.

Systemkomponenten


Die Hauptelemente des Foundation Fieldbus H1-Netzwerks sind:

  • dezentrale Steuerung des Steuerungssystems (DCS);
  • Feldbus-Netzteile;
  • Block- oder modulare Schnittstellengeräte;
  • Busterminatoren;
  • intelligente Feldgeräte.

Ebenfalls im System können Gateway-Geräte (Linking Device), Protokollkonverter, SPDs und Repeater vorhanden sein.

Netzwerktopologie


Ein wichtiges Konzept im H1-Netzwerk ist das Konzept eines Segments. Es ist eine Amtsleitungskommunikationsleitung (Trunk) mit von ihr abweichenden Zweigen (Spur), an die Feldgeräte angeschlossen sind. Das Hauptkabel beginnt an der Busstromquelle und endet normalerweise am letzten Schnittstellengerät. Für die Kommunikation zwischen der Steuerung und den Feldgeräten sind vier Topologietypen zulässig: Punkt-zu-Punkt, Schleife, Bus und Baum. Jedes Segment kann unter Verwendung einer separaten Topologie oder unter Verwendung ihrer Kombinationen erstellt werden.



Bei Verwendung einer Punkt-zu-Punkt-Topologie ist jedes Feldgerät direkt mit der Steuerung verbunden. Darüber hinaus bildet jedes angeschlossene Feldgerät ein eigenes Netzwerksegment. Eine solche Topologie ist unpraktisch, da sie dem System fast alle Vorteile entzieht, die in Foundation Fieldbus enthalten sind. An der Steuerung sind zu viele Schnittstellen beteiligt, und für die Versorgung von Feldgeräten über den Datenbus muss jede Kommunikationsleitung über eine eigene Feldbusstromversorgung verfügen. Die Länge der Kommunikationsleitungen ist zu lang, und der Informationsaustausch zwischen Geräten erfolgt nur über die Steuerung, wodurch das Prinzip der hohen Fehlertoleranz von H1-Systemen nicht angewendet werden kann.

Die Schleifentopologie impliziert die serielle Verbindung von Feldgeräten untereinander. Hier werden alle Feldgeräte zu einem Segment zusammengefasst, wodurch weniger Ressourcen verbraucht werden können. Diese Topologie weist jedoch auch Nachteile auf: Zunächst müssen Methoden bereitgestellt werden, bei denen ein Ausfall eines der Zwischensensoren nicht zu einer Unterbrechung der Kommunikation mit den anderen führt. Ein weiterer Nachteil ist der fehlende Schutz gegen Kurzschlüsse in der Kommunikationsleitung, bei denen ein Informationsaustausch im Segment nicht möglich ist.

Zwei andere Netzwerktopologien, Bus- und Baumtopologien, weisen die größte Zuverlässigkeit und Praktikabilität auf, die in der Praxis beim Aufbau von H1-Netzen am häufigsten verwendet werden. Die Bedeutung dieser Topologien besteht darin, Schnittstellengeräte zu verwenden, um Feldgeräte mit dem Trunk zu verbinden. Mit Schnittstellengeräten kann jedes Feldgerät an eine eigene Schnittstelle angeschlossen werden.

Netzwerkeinstellungen


Wichtige Probleme beim Aufbau eines H1-Netzwerks sind seine physikalischen Parameter - wie viele Feldgeräte können in einem Segment verwendet werden, wie lang kann ein Segment sein, wie lang können Verzweigungen sein. Die Antwort auf diese Fragen hängt von der Art der Stromversorgung und dem Energieverbrauch der Feldgeräte sowie von Explosionsanlagen ab, wie die Eigensicherheit gewährleistet werden kann.

Die maximale Anzahl von Feldgeräten in Segment (32) kann nur erreicht werden, wenn sie lokal und ohne eigensichere Mittel aus lokalen Quellen geliefert werden. Bei der Versorgung von Sensoren und Aktoren über den Datenbus kann die maximale Anzahl von Geräten nur 12 oder weniger betragen, abhängig von den Methoden zur Gewährleistung der Eigensicherheit.


Abhängigkeit der Anzahl der Feldgeräte von der Versorgungsmethode und den Eigensicherheitsmethoden.

Die Länge des Netzwerksegments wird durch den verwendeten Kabeltyp bestimmt. Die maximale Länge von 1900 m wird mit einem Kabel vom Typ A (Twisted Pair mit Abschirmung) erreicht. Bei Verwendung eines Kabels vom Typ D (kein verdrilltes mehradriges Kabel mit einem gemeinsamen Schirm) - nur 200 m. Unter Segmentlänge versteht man die Summe der Längen des Hauptkabels und aller Abzweigungen davon.


Abhängigkeit der Segmentlänge vom Kabeltyp.

Die Länge der Zweige hängt von der Anzahl der Geräte im Netzwerksegment ab. Bei einer Anzahl von Geräten bis zu 12 sind dies also maximal 120 m. Bei Verwendung von 32 Geräten im Segment beträgt die maximale Verzweigungslänge nur 1 m. Wenn Feldgeräte mit einer Schleife verbunden werden, reduziert jedes zusätzliche Gerät die Verzweigungslänge um 30 m.


Abhängigkeit der Länge der Abzweigungen vom Hauptkabel von der Anzahl der Feldgeräte im Segment.

Alle diese Faktoren wirken sich direkt auf die Struktur und Topologie des Systems aus. Um den Netzwerkentwurfsprozess zu beschleunigen, verwenden sie spezielle Softwarepakete wie DesignMate von der FieldComm Group oder Fieldbus Network Planner von Phoenix Contact. Die Programme ermöglichen die Berechnung der physikalischen und elektrischen Parameter des H1-Netzes unter Berücksichtigung aller möglichen Einschränkungen.

Zweck der Systemkomponenten



Controller

Die Aufgabe des Controllers besteht darin, die Funktionen des Active Link Scheduler (LAS) zu implementieren - des Hauptgeräts, das das Netzwerk durch Senden von Dienstnachrichten verwaltet. LAS initiiert den Informationsaustausch zwischen Netzwerkteilnehmern mit geplanten (geplanten) oder ungeplanten Nachrichten und führt die Diagnose und Synchronisierung aller Geräte durch.

Darüber hinaus ist der Controller für die automatische Adressierung von Feldgeräten verantwortlich, fungiert als Gateway-Gerät und stellt eine Ethernet-Schnittstelle für die Kommunikation mit der oberen Ebene des Steuerungssystems bereit, die auf Foundation Fieldbus HSE oder einem anderen Kommunikationsprotokoll basiert. Für die obere Ebene des Systems bietet die Steuerung Überwachungs- und Steuerfunktionen seitens des Bedieners sowie Funktionen für die Fernkonfiguration von Feldgeräten.

Es können mehrere Active Link-Planer im Netzwerk vorhanden sein, die eine Sicherung ihrer Funktionen gewährleisten. In modernen Systemen können LAS-Funktionen in einem Gateway-Gerät implementiert werden, das als Protokollkonverter für Steuerungssysteme fungiert, die auf einem anderen Standard als Foundation Fieldbus HSE basieren.

Feldbusstromversorgungen

Das Stromversorgungssystem im H1-Netz spielt eine Schlüsselrolle, da für die Möglichkeit des Informationsaustauschs eine Spannung im Bereich von 9 bis 32 V DC im Datenkabel unterstützt werden muss. Unabhängig davon, ob die Feldgeräte über den Datenbus oder lokal über Stromquellen mit Strom versorgt werden, sind im Netzwerk Busstromquellen erforderlich.

Daher besteht ihr Hauptzweck darin, die erforderlichen elektrischen Parameter am Bus sowie die an das Netzwerk angeschlossenen Stromversorgungsgeräte aufrechtzuerhalten. Busstromquellen unterscheiden sich von herkömmlichen Stromversorgungen dadurch, dass sie bei Datenübertragungsfrequenzen die entsprechende Impedanz der Ausgangsschaltung aufweisen. Wenn Sie das H1-Netzwerk direkt mit 12- oder 24-V-Netzteilen versorgen, geht das Signal verloren und ein Informationsaustausch auf dem Bus ist nicht möglich.


Redundante FB-PS-Feldbusstromversorgungen (4-Segment-Baugruppe).

Angesichts der Bedeutung einer zuverlässigen Busstromversorgung können Stromversorgungen für jedes Netzwerksegment redundant sein. Die FB-PS-Netzteile von Phoenix Contact unterstützen die Auto Current Balancing-Technologie. DIA bietet eine symmetrische Last zwischen Stromquellen, was sich günstig auf deren Temperaturbedingungen auswirkt und letztendlich zu einer Verlängerung ihrer Lebensdauer führt.

Das Stromversorgungssystem des H1-Netzwerks befindet sich normalerweise im Schaltschrank.

Schnittstellengeräte Schnittstellengeräte

dienen zum Verbinden einer Gruppe von Feldgeräten mit dem Datenbus. Entsprechend ihrer Funktionen werden sie in zwei Typen unterteilt: Segmentschutzmodule (Segmentschutz) und Feldbarrieren (Feldbarrieren).

Unabhängig vom Typ schützen die Schnittstellengeräte das Netzwerk vor Kurzschlüssen und Überströmen in ausgehenden Leitungen. Wenn ein Kurzschluss auftritt, blockiert das Schnittstellengerät den Schnittstellenport, verhindert, dass sich der Kurzschluss im System ausbreitet, und garantiert so den Informationsaustausch zwischen anderen Netzwerkgeräten. Nachdem der Kurzschluss in der Leitung beseitigt wurde, funktioniert der zuvor blockierte Kommunikationsanschluss wieder.

Feldbarrieren sorgen zusätzlich für eine galvanische Trennung zwischen nicht eigensicheren Stromkreisen des Hauptbusses und eigensicheren Stromkreisen angeschlossener Feldgeräte (Zweige).

Es gibt auch zwei Arten von Schnittstellengeräten - blockweise und modular aufgebaut. Blockschnittstellengeräte vom Typ FB-12SP mit Segmentschutzfunktion ermöglichen die Verwendung von eigensicheren IC-Schaltkreisen zum Anschließen von Feldgeräten in Zone 2, und die ISO-Feldbarrieren des FB-12SP ermöglichen den Anschluss von Geräten in Zone 1 und 0 mit eigensicheren IA-Schaltkreisen.


FB-12SP- und FB-6SP-Schnittstellengeräte von Phoenix Contact.

Einer der Vorteile modularer Geräte ist die Möglichkeit, das System durch Auswahl der Anzahl der Kanäle zu skalieren, die zum Anschließen von Feldgeräten erforderlich sind. Darüber hinaus können Sie mit modularen Geräten flexible Strukturen erstellen. In einem Schaltschrank können Segmentschutzmodule und Feldbarrieren kombiniert werden, dh Feldgeräte in verschiedenen explosionsgefährdeten Bereichen können von einem Schaltschrank aus angeschlossen werden. Insgesamt können bis zu 12 zweikanalige FB-2SP-Module oder einkanalige FB-ISO-Barrieremodule auf einem Bus installiert werden, wodurch von einem Schrank aus 24 Feldgeräte in Zone 2 oder bis zu 12 Sensoren in Zone 1 oder 0 angeschlossen werden können.

Schnittstellengeräte können in einem weiten Temperaturbereich betrieben werden und werden in explosionsgeschützten Gehäusen Ex e, Ex d mit einem Staub- und Feuchtigkeitsschutz von mindestens IP54 installiert, auch so nah wie möglich am Steuerobjekt.

Überspannungsschutzgeräte

Feld-H1-Netzwerke können sehr lange Segmente bilden, und Kommunikationsleitungen können an Stellen verlaufen, an denen die Bildung von Überspannungen möglich ist. Mit Impulsüberspannung ist die induzierte Potentialdifferenz gemeint, die durch Blitzentladungen oder Kurzschlüsse in nahegelegenen Kabelleitungen verursacht wird. Die induzierte Spannung, deren Größe in der Größenordnung von mehreren Kilovolt liegt, bewirkt, dass die Entladeströme in Kiloampere fließen. Alle diese Phänomene treten innerhalb von Mikrosekunden auf, können jedoch zum Ausfall der Netzwerkkomponenten H1 führen. Um Geräte vor solchen Phänomenen zu schützen, muss eine SPD verwendet werden. Die Verwendung von SPDs anstelle herkömmlicher Buchsen gewährleistet einen zuverlässigen und sicheren Betrieb des Systems unter widrigen Bedingungen.

Das Funktionsprinzip basiert auf der Verwendung eines Quasi-Kurzschlusses im Nanosekundenbereich für den Fluss von Entladungsströmen in einem Stromkreis, in dem Elemente verwendet werden, die dem Fluss von Strömen dieser Größenordnung standhalten können.

Es gibt eine Vielzahl von SPDs: einkanalig, zweikanalig, mit austauschbaren Steckern, mit verschiedenen Diagnosearten - in Form eines Blinkers, trockener Kontakt. Moderne Diagnosetools von Phoenix Contact ermöglichen die Überwachung der SPD mithilfe von Ethernet-basierten digitalen Diensten. Das Werk des Unternehmens in Russland produziert Geräte, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zertifiziert sind, einschließlich Foundation Fieldbus-Systemen.

Busabschluss

Der Terminator führt zwei Funktionen im Netzwerk aus: Er leitet den Feldbusstrom ab, der aufgrund der Modulation des Signals auftritt, und verhindert, dass das Signal von den Enden der Amtsleitung reflektiert wird, wodurch das Auftreten von Rauschen und Jitter (Phasenjitter des digitalen Signals) verhindert wird. Somit vermeidet der Terminator das Auftreten ungenauer Daten im Netzwerk oder Datenverlust überhaupt.

In jedem Segment des H1-Netzwerks sind an jedem Ende des Segments zwei Terminatoren erforderlich. Busstromversorgungen und Phoenix Contact-Koppler sind mit trennbaren Abschlusswiderständen ausgestattet. Das Vorhandensein unnötiger Terminatoren im Netzwerk, beispielsweise aufgrund eines Fehlers, verringert den Signalpegel in der Schnittstellenleitung erheblich.

Austausch zwischen Segmenten


Der Informationsaustausch zwischen Feldgeräten ist nicht auf ein Segment beschränkt, sondern zwischen verschiedenen Abschnitten des Netzwerks möglich, die über einen Controller oder ein auf Ethernet basierendes Unternehmensnetzwerk verbunden werden können. In diesem Fall kann das Foundation Fieldbus HSE-Protokoll oder das beliebtere, beispielsweise Modbus TCP, verwendet werden.

Beim Aufbau eines HSE-Netzwerks werden industrielle Switches verwendet. Das Protokoll ermöglicht Ringredundanz. In diesem Fall ist zu beachten, dass Switches in einer Ringtopologie eines der Redundanzprotokolle (RSTP, MRP oder Extended Ring Redundancy) verwenden müssen, abhängig von der Größe und der erforderlichen Konvergenzzeit des Netzwerks, wenn Kommunikationskanäle unterbrochen werden.

Die Integration von HSE-basierten Systemen in Systeme von Drittanbietern ist mithilfe der OPC-Technologie möglich.

Explosionsgeschützte Methoden


Um ein explosionsgeschütztes System zu schaffen, reicht es nicht aus, sich nur von den Explosionssicherheitseigenschaften des Geräts und der Wahl des richtigen Standorts in der Anlage leiten zu lassen. Innerhalb des Systems funktioniert jedes der Geräte nicht für sich, sondern arbeitet in einem einzigen Netzwerk. In Foundation Fieldbus H1-Netzen ist der Informationsaustausch zwischen Geräten in verschiedenen explosionsgefährdeten Bereichen nicht nur mit der Datenübertragung, sondern auch mit der Übertragung elektrischer Energie verbunden. Die Energiemenge, die in einer Zone zulässig war, ist in einer anderen möglicherweise nicht akzeptabel. Um die Explosionssicherheit von Feldnetzen zu bewerten und die optimale Methode für deren Bereitstellung auszuwählen, wird daher ein systematischer Ansatz verwendet. Unter diesen Methoden sind die am weitesten verbreiteten Methoden zur Gewährleistung der Eigensicherheit.

Für Feldbusse gibt es derzeit verschiedene Möglichkeiten, um die Eigensicherheit zu gewährleisten: die traditionelle Methode der Funkenschutzbarrieren, das FISCO-Konzept und die HPT-Technologie (High Power Trunk).

Die erste basiert auf der Verwendung von Funkenschutzbarrieren und implementiert ein bewährtes Konzept, das in Steuerungssystemen verwendet wurde, die auf analogen 4-20-mA-Signalen basieren. Diese Methode ist einfach und zuverlässig, begrenzt jedoch die Stromversorgung von Feldgeräten in den Ex-Zonen 0 und 1 80 mA. In diesem Fall ist es nach einer optimistischen Prognose möglich, nicht mehr als 4 Feldgeräte pro Segment mit einem Verbrauch von 20 mA anzuschließen, in der Praxis jedoch nicht mehr als 2. In diesem Fall verliert das System alle Vorteile, die in Foundation Fieldbus vorhanden sind, und führt tatsächlich zu einer Punkt-zu-Punkt-Topologie. Wenn eine große Anzahl von Feldgeräten angeschlossen werden soll, muss das System in viele Segmente unterteilt werden. Diese Methode begrenzt auch die Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen erheblich.

Das FISCO-Konzept wurde vom Deutschen Nationalen Institut für Metrologie entwickelt und später Teil der IEC-Normen und dann von GOST. Um die Eigensicherheit des Feldnetzwerks zu gewährleisten, werden Komponenten verwendet, die bestimmte Einschränkungen erfüllen. Ähnliche Einschränkungen gelten für Stromversorgungen für die Ausgangsleistung, für Feldgeräte für den Stromverbrauch und die Induktivität, für Kabel für den Widerstand, die Kapazität und die Induktivität. Solche Einschränkungen sind mit der Tatsache verbunden, dass kapazitive und induktive Elemente Energie in sich selbst ansammeln können, die im Notfallmodus im Falle einer Beschädigung eines Elements des Systems freigesetzt werden und eine Funkenentladung verursachen kann. Darüber hinaus verbietet das Konzept die Verwendung von Redundanz im Busstromversorgungssystem.

FISCO versorgt Stromversorgungsgeräte im explosionsgefährdeten Bereich im Vergleich zur Feldsperrmethode mit einer großen Strommenge. Hier stehen 115 mA zur Verfügung, mit denen 4-5 Geräte in einem Segment mit Strom versorgt werden können. Es gibt jedoch auch Einschränkungen hinsichtlich der Länge des Hauptkabels und der Abzweigungen.

Die High Power Trunk-Technologie ist derzeit die am weitesten verbreitete intrinsische Sicherheitstechnologie in Foundation Fieldbus-Netzwerken, da sie frei von den Nachteilen ist, die in Netzwerken bestehen, die durch Barrieren geschützt sind oder gemäß FISCO gebaut wurden. Mit der Verwendung von HPT ist es möglich geworden, die Grenze von Feldgeräten in einem Netzwerksegment zu erreichen.



Die Technologie beschränkt die elektrischen Parameter des Netzwerks nicht, wenn dies nicht erforderlich ist, z. B. auf der Hauptkommunikationsleitung, wo keine Wartung und kein Austausch von Geräten erforderlich ist. Um Feldgeräte im explosionsgefährdeten Bereich anzuschließen, werden Geräte verwendet, um eine Schnittstelle zur Funktionalität von Feldbarrieren herzustellen, die die elektrischen Parameter des Netzwerks für die Stromversorgung der Sensoren begrenzen und sich direkt neben dem Steuerobjekt befinden. In diesem Fall wird im gesamten Segment der Explosionsschutz Typ Ex e (erhöhter Schutz) verwendet.

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