🤟🏼 🎅🏽 🙄 Sistemas de automatización de Fieldbus Foundation 🎣 🤼 😈

Foundation Fieldbus es un sistema de comunicaciones digitales utilizado en automatización junto con Profibus, Modbus o HART. La tecnología apareció un poco más tarde que sus competidores: la primera edición del estándar está fechada en 1996 y actualmente incluye dos protocolos de intercambio de información entre los participantes de la red: H1 y HSE (High Speed Ethernet).

El protocolo H1 se utiliza para el intercambio de información a nivel de sensores y controladores, y su red se basa en el estándar de capa física IEC 61158-2, lo que permite una velocidad de transferencia de datos de 31.25 kbit / s. En este caso, la fuente de alimentación de los dispositivos de campo se puede organizar desde el bus de datos. La red HSE se basa en redes Ethernet de alta velocidad (100/1000 Mbit / s) y se utiliza para construir una red automatizada de control de procesos a nivel de controladores y sistemas de gestión empresarial.

La tecnología es aplicable en la construcción de sistemas de control industrial de cualquier instalación industrial, pero se usa más ampliamente en empresas de la industria del petróleo y gas y la industria química.

Características tecnológicas

Foundation Fieldbus se desarrolló como una alternativa al modelo tradicional de sistemas de control automatizados basados en sensores analógicos y obtuvo una serie de ventajas sobre el modelo tradicional y los sistemas digitales basados en Profibus o HART.

Una de las principales ventajas radica en el alto grado de confiabilidad y tolerancia a fallas de los sistemas Foundation Fieldbus H1, que se logra debido a dos factores:

uso a nivel de campo de dispositivos inteligentes (sensores y actuadores);
la capacidad de organizar el intercambio de información directamente entre dispositivos a nivel de campo sin la participación de un controlador.

La inteligencia de los dispositivos de campo radica en la capacidad de establecer algoritmos de control y procesamiento de información que se implementan tradicionalmente en el controlador. En la práctica, esto permite que el sistema continúe funcionando incluso si falla el controlador. Esto requiere que los dispositivos de campo se configuren adecuadamente y que se proporcione un sistema confiable de suministro de energía del bus de campo.

Los beneficios adicionales de la digitalización del sistema de control y el uso de sensores inteligentes son la capacidad de recibir más datos, además de la medición, de cada dispositivo de campo, que finalmente expande el área de monitoreo del proceso, que en los sistemas analógicos tradicionales está limitado por el sistema de entrada-salida de señal .

El uso de la topología de bus en la red H1 permite reducir la longitud de las líneas de cable, la cantidad de trabajo de instalación y eliminar el uso de equipos adicionales en los sistemas de control: módulos de entrada-salida, fuentes de alimentación y en zonas de peligro de explosión: barreras de protección contra chispas.

Foundation Fieldbus H1 permite el uso de cables de comunicación de sensores de 4-20 mA, que pueden usarse para actualizar sistemas de control más antiguos. Gracias al uso de principios de seguridad intrínsecos, la tecnología se utiliza activamente en atmósferas explosivas. La estandarización en sí misma garantiza la intercambiabilidad y compatibilidad de equipos de diferentes fabricantes, y gracias a los dispositivos de puerta de enlace es posible interconectar la red de dispositivos de campo y los sistemas de control de las empresas construidas en Ethernet.

El Foundation Fieldbus H1 más similar tiene con los sistemas Profibus PA. Ambas tecnologías se basan en el mismo estándar de capa física, por lo tanto, las velocidades de transferencia de datos, el uso de la codificación Manchester, los parámetros eléctricos de la línea de comunicación, la cantidad de potencia de transmisión posible, la longitud máxima de cable permitida en el segmento de red (1900 m) son los mismos para estos sistemas. También en ambos sistemas es posible utilizar hasta 4 repetidores, por lo que la longitud del segmento puede alcanzar los 9,5 km. Son comunes las posibles topologías de red en el sistema de control, así como los principios de seguridad intrínseca.

Componentes del sistema

Los elementos principales de la red Foundation Fieldbus H1 son:

controlador de sistema de control descentralizado (DCS);
fuentes de alimentación de bus de campo;
dispositivos de interfaz de bloque o modulares;
terminadores de bus;
dispositivos de campo inteligentes.

También en el sistema pueden estar presentes dispositivos Gateway (dispositivo de enlace), convertidores de protocolo, SPD y repetidores.

Topología de la red

Un concepto importante en la red H1 es el concepto de segmento. Es una línea de comunicación troncal (Trunk), con ramas que parten de ella (Spur), a la cual están conectados los dispositivos de campo. El cable troncal comienza en la fuente de alimentación del bus y generalmente termina en el último dispositivo de interfaz. Se permiten cuatro tipos de topología para la comunicación entre el controlador y los dispositivos de campo: punto a punto, bucle, bus y árbol. Cada segmento se puede construir usando una topología separada, o usando sus combinaciones.

Cuando se utiliza una topología punto a punto, cada dispositivo de campo se conecta directamente al controlador. Además, cada dispositivo de campo conectado forma su propio segmento de red. Dicha topología es inconveniente, porque priva al sistema de casi todas las ventajas inherentes a Foundation Fieldbus. Hay demasiadas interfaces involucradas en el controlador, y para suministrar dispositivos de campo desde el bus de datos, cada línea de comunicación debe tener su propia fuente de alimentación de bus de campo. La longitud de las líneas de comunicación es demasiado larga y el intercambio de información entre dispositivos se realiza solo a través del controlador, lo que no permite utilizar el principio de alta tolerancia a fallas de los sistemas H1.

La topología de bucle implica la conexión en serie de dispositivos de campo entre sí. Aquí, todos los dispositivos de campo se combinan en un segmento, lo que permite utilizar menos recursos. Sin embargo, esta topología también tiene inconvenientes: en primer lugar, es necesario proporcionar métodos en los que la falla de uno de los sensores intermedios no conduzca a una interrupción de la comunicación con los demás. Otro inconveniente se debe a la falta de protección contra cortocircuitos en la línea de comunicación, en la que el intercambio de información en el segmento será imposible.

Otras dos topologías de red, topologías de árbol y bus, tienen la mayor fiabilidad y practicidad, que han encontrado la mayor distribución en la práctica al construir redes H1. El significado de estas topologías es utilizar dispositivos de interfaz para conectar dispositivos de campo a la troncal. Los dispositivos de interfaz permiten que cada dispositivo de campo se conecte a su propia interfaz.

Configuración de red

Los problemas importantes al construir una red H1 son sus parámetros físicos: cuántos dispositivos de campo se pueden usar en un segmento, cuánto tiempo puede ser un segmento, cuánto tiempo pueden ser las ramas. La respuesta a estas preguntas depende del tipo de fuente de alimentación y consumo de energía de los dispositivos de campo, y para instalaciones explosivas, formas de garantizar la seguridad intrínseca.

El número máximo de dispositivos de campo en el segmento (32) solo se puede lograr si se suministran de fuentes locales localmente y en ausencia de medios intrínsecamente seguros. Al suministrar sensores y actuadores desde el bus de datos, el número máximo de dispositivos puede ser solo 12 o menos, dependiendo de los métodos para garantizar la seguridad intrínseca.

Dependencia del número de dispositivos de campo en el método de suministro y métodos de seguridad intrínsecos.

La longitud del segmento de red está determinada por el tipo de cable utilizado. La longitud máxima de 1900 m se logra utilizando un cable tipo A (par trenzado con blindaje). Cuando se utiliza un cable de tipo D (no un cable multinúcleo retorcido con una pantalla común), solo 200 m. Por longitud de segmento se entiende la suma de las longitudes del cable principal y todas sus ramas.

Dependencia de la longitud del segmento en el tipo de cable.

La longitud de las ramas depende de la cantidad de dispositivos en el segmento de red. Entonces, con el número de dispositivos hasta 12, este es el máximo de 120 m. Cuando se usan 32 dispositivos en el segmento, la longitud máxima de la rama será de solo 1 m. Al conectar dispositivos de campo con un bucle, cada dispositivo adicional reduce la longitud de la rama en 30 m.

Dependencia de la longitud de las ramas en el cable troncal en la cantidad de dispositivos de campo en el segmento.

Todos estos factores afectan directamente la estructura y la topología del sistema. Para acelerar el proceso de diseño de la red, utilizan paquetes de software especiales como DesignMate del FieldComm Group o Fieldbus Network Planner de Phoenix Contact. Los programas permiten el cálculo de los parámetros físicos y eléctricos de la red H1, teniendo en cuenta todas las limitaciones posibles.

Propósito de los componentes del sistema.

Controlador

La tarea del controlador es implementar las funciones del Active Link Scheduler (LAS), el dispositivo principal que administra la red mediante el envío de mensajes de servicio. LAS inicia el intercambio de información entre los participantes de la red con mensajes programados (programados) o no planificados, realiza diagnósticos y sincronización de todos los dispositivos.

Además, el controlador es responsable del direccionamiento automático de los dispositivos de campo, actúa como un dispositivo de puerta de enlace y proporciona una interfaz Ethernet para la comunicación con el nivel superior del sistema de control basado en Foundation Fieldbus HSE u otro protocolo de comunicación. Para el nivel superior del sistema, el controlador proporciona funciones de monitoreo y control por parte del operador, así como las funciones de configuración remota de dispositivos de campo.

Puede haber varios planificadores de enlaces activos en la red, lo que garantiza una copia de seguridad de sus funciones. En los sistemas modernos, las funciones LAS se pueden implementar en un dispositivo de puerta de enlace que actúa como un convertidor de protocolo para sistemas de control basados en un estándar que no sea Foundation Fieldbus HSE.

Fuentes de

alimentación de bus de campo El sistema de fuente de alimentación en la red H1 desempeña un papel clave, ya que para la posibilidad misma de intercambio de información, un voltaje en el rango de 9 a 32 V CC debe ser compatible con el cable de datos. Independientemente de si los dispositivos de campo están alimentados por el bus de datos o localmente por fuentes de alimentación, las fuentes de alimentación del bus son necesarias en la red.

Por lo tanto, su objetivo principal es mantener los parámetros eléctricos necesarios en el bus, así como los dispositivos de alimentación conectados a la red. Las fuentes de alimentación del bus difieren de las fuentes de alimentación convencionales en que tienen la impedancia correspondiente del circuito de salida en las frecuencias de transmisión de datos. Si utiliza directamente fuentes de alimentación de 12 o 24 V para alimentar la red H1, la señal se perderá y el intercambio de información en el bus es imposible.

Fuentes de alimentación redundantes de bus de campo FB-PS (ensamblaje de 4 segmentos).

Dada la importancia de proporcionar una alimentación de bus confiable, las fuentes de alimentación para cada segmento de red pueden ser redundantes. Las fuentes de alimentación FB-PS de Phoenix Contact son compatibles con la tecnología Auto Current Balancing. DIA proporciona una carga simétrica entre las fuentes de energía, lo que afecta favorablemente sus condiciones de temperatura y finalmente conduce a un aumento en su vida útil.

El sistema de suministro de energía de la red H1 generalmente se encuentra en el gabinete del controlador.

Dispositivos de interfaz Los dispositivos de interfaz

están diseñados para conectar un grupo de dispositivos de campo al bus de datos. Según sus funciones, se dividen en dos tipos: módulos de protección de segmento (protectores de segmento) y barreras de campo (barreras de campo).

Independientemente del tipo, los dispositivos de interfaz protegen la red de cortocircuitos y sobrecorrientes en las líneas salientes. Cuando se produce un cortocircuito, el dispositivo de interfaz bloquea el puerto de interfaz, evitando que el cortocircuito se propague por el sistema y garantizando así el intercambio de información entre otros dispositivos de red. Después de eliminar el cortocircuito en la línea, el puerto de comunicación previamente bloqueado comienza a funcionar nuevamente.

Las barreras de campo además proporcionan aislamiento galvánico entre los circuitos no intrínsecamente seguros del bus principal y los circuitos intrínsecamente seguros de los dispositivos de campo conectados (derivaciones).

Físicamente, los dispositivos de interfaz también vienen en dos tipos: en diseños de bloque y modulares. Los dispositivos de interfaz de bloque del tipo FB-12SP con funcionalidad de protección de segmento permiten el uso de circuitos IC intrínsecamente seguros para conectar dispositivos de campo en la Zona 2, y las barreras de campo ISO FB-12SP permiten conectar dispositivos en la Zona 1 y 0 con circuitos IA intrínsecamente seguros.

Dispositivos de interfaz FB-12SP y FB-6SP de Phoenix Contact.

Una de las ventajas de los dispositivos modulares es la capacidad de escalar el sistema seleccionando el número de canales necesarios para conectar dispositivos de campo. Además, los dispositivos modulares le permiten crear estructuras flexibles. En un gabinete de control, se pueden combinar módulos de protección de segmento y barreras de campo, es decir, los dispositivos de campo ubicados en diferentes áreas peligrosas se pueden conectar desde un gabinete. En total, se pueden instalar hasta 12 módulos FB-2SP de dos canales o módulos de barrera FB-ISO de un solo canal en un bus, conectando así desde un gabinete a 24 dispositivos de campo en la Zona 2 o hasta 12 sensores en la Zona 1 o 0.

Los dispositivos de interfaz se pueden operar en un amplio rango de temperatura y se instalan en gabinetes a prueba de explosión Ex e, Ex d con un grado de protección contra el polvo y la humedad de al menos IP54, incluso lo más cerca posible del objeto de control.

Dispositivos de protección contra sobretensiones

Las redes de campo H1 pueden formar segmentos muy largos, y las líneas de comunicación pueden pasar en lugares donde es posible la formación de sobretensiones. Por sobretensión de impulso se entiende la diferencia de potencial inducida causada por descargas de rayos o cortocircuitos en líneas de cable cercanas. El voltaje inducido, cuya magnitud es del orden de varios kilovoltios, hace que las corrientes de descarga fluyan en kiloamperios. Todos estos fenómenos ocurren dentro de microsegundos, pero pueden conducir a la falla de los componentes de red H1. Para proteger el equipo de tales fenómenos, es necesario usar un SPD. El uso de SPD en lugar de casquillos convencionales garantiza un funcionamiento confiable y seguro del sistema en condiciones adversas.

El principio de su funcionamiento se basa en el uso de un cuasi cortocircuito en el rango de nanosegundos para el flujo de corrientes de descarga en un circuito en el que se utilizan elementos que pueden soportar el flujo de corrientes de esta magnitud.

Hay una gran cantidad de variedades de SPD: monocanal, dos canales, con enchufes intercambiables, con varios tipos de diagnóstico, en forma de intermitente, contacto seco. Las modernas herramientas de diagnóstico de Phoenix Contact permiten monitorear SPD utilizando servicios digitales basados en Ethernet. La fábrica de la compañía en Rusia produce dispositivos certificados para su uso en atmósferas explosivas, incluidos los sistemas Foundation Fieldbus.

Terminador de bus

El terminador realiza dos funciones en la red: desvía la corriente del bus de campo, que ocurre debido a la modulación de la señal y evita la reflexión de la señal desde los extremos de la línea troncal, evitando así la aparición de ruido y fluctuación (fluctuación de fase de la señal digital). Por lo tanto, el terminador evita la aparición de datos inexactos en la red o la pérdida de datos.

En cada segmento de la red H1, se requieren dos terminadores, en cada extremo del segmento. Las fuentes de alimentación de bus y los acopladores Phoenix Contact están equipados con terminadores desconectables. La presencia de terminadores innecesarios en la red, por ejemplo, debido a un error, reducirá significativamente el nivel de señal en la línea de interfaz.

Intercambio entre segmentos

El intercambio de información entre dispositivos de campo no se limita a un segmento, sino que es posible entre diferentes secciones de la red, que pueden conectarse a través de un controlador o una red empresarial basada en Ethernet. En este caso, se puede utilizar el protocolo HSE Foundation Fieldbus o el más popular, por ejemplo, Modbus TCP.

Al construir una red HSE, se utilizan conmutadores industriales. El protocolo permite la redundancia de anillo. En este caso, vale la pena recordar que en una topología de anillo, los conmutadores deben usar uno de los protocolos de redundancia (RSTP, MRP o Redundancia de anillo extendida), dependiendo del tamaño y el tiempo de convergencia requerido de la red cuando los canales de comunicación están rotos.

La integración de sistemas basados en HSE con sistemas de terceros es posible utilizando la tecnología OPC.

Métodos a prueba de explosiones

Para crear un sistema a prueba de explosión, no es suficiente guiarse solo por las características de seguridad contra explosiones del equipo y la elección de su ubicación correcta en la instalación. Dentro del sistema, cada uno de los dispositivos no funciona por sí solo, sino que funciona dentro de una sola red. En las redes Foundation Fieldbus H1, el intercambio de información entre dispositivos ubicados en diferentes áreas peligrosas está asociado no solo con la transmisión de datos, sino también con la transmisión de energía eléctrica. La cantidad de energía permitida en una zona puede no ser aceptable en otra. Por lo tanto, para evaluar la seguridad contra explosiones de las redes de campo y seleccionar el método óptimo para su provisión, se utiliza un enfoque sistemático. Entre dichos métodos, los métodos más utilizados para garantizar la seguridad intrínseca.

Para los buses de campo, actualmente hay varias formas de garantizar la seguridad intrínseca: el método tradicional de barreras de seguridad intrínsecas, el concepto FISCO y la tecnología High Power Trunk (HPT).

El primero de ellos se basa en el uso de barreras de protección contra chispas e implementa un concepto probado que se utilizó en sistemas de control basados en señales analógicas de 4-20 mA. Este método es simple y confiable, sin embargo, limita la fuente de alimentación de los dispositivos de campo en las zonas Ex 0 y 1 80 mA. En este caso, según un pronóstico optimista, es posible conectar no más de 4 dispositivos de campo por segmento con un consumo de 20 mA, pero en la práctica no más de 2. En este caso, el sistema pierde todas las ventajas que existen en Foundation Fieldbus, y de hecho conduce a una topología punto a punto, cuando se conecta una gran cantidad de dispositivos de campo, el sistema debe dividirse en muchos segmentos. Este método también limita significativamente la longitud del cable troncal y las ramas.

El concepto FISCO fue desarrollado por el Instituto Nacional de Metrología de Alemania y luego se convirtió en parte de los estándares IEC, y luego en GOST. Para garantizar la seguridad intrínseca de la red de campo, el concepto implica el uso de componentes que cumplen ciertas restricciones. Se formulan restricciones similares para fuentes de alimentación para potencia de salida, para dispositivos de campo para consumo de energía e inductancia, para cables de resistencia, capacitancia e inductancia. Dichas limitaciones están asociadas con el hecho de que los elementos capacitivos e inductivos pueden acumular energía en sí mismos, lo que en modo de emergencia, en caso de daño a cualquier elemento del sistema, puede liberarse y provocar una descarga de chispa. Además, el concepto prohíbe el uso de redundancia en el sistema de alimentación del bus.

FISCO proporciona una gran cantidad de corriente para alimentar dispositivos en el área peligrosa en comparación con el método de barrera de campo. Aquí está disponible 115 mA, que puede usarse para alimentar 4-5 dispositivos en un segmento. Sin embargo, también hay restricciones en la longitud del cable troncal y las ramas.

La tecnología High Power Trunk es actualmente la tecnología de seguridad intrínseca más común en las redes de Foundation Fieldbus porque está libre de las desventajas que existen en las redes protegidas por barreras o construidas de acuerdo con FISCO. Con el uso de HPT, es posible alcanzar el valor límite de los dispositivos de campo en un segmento de red.

La tecnología no limita los parámetros eléctricos de la red cuando esto no es necesario, por ejemplo, en la línea de comunicación principal, donde no hay necesidad de mantenimiento y reemplazo de equipos. Para conectar dispositivos de campo ubicados en el área peligrosa, los dispositivos se utilizan para interactuar con la funcionalidad de las barreras de campo, que limitan los parámetros eléctricos de la red para alimentar sensores y se encuentran directamente al lado del objeto de control. En este caso, el tipo de protección contra explosiones Ex e (protección aumentada) se utiliza en todo el segmento.

Sistemas de automatización de Fieldbus Foundation