📸 🐻 ☂️ Systèmes d'automatisation Foundation Fieldbus ✅ 🤽🏻 👩🏾‍⚖️

Foundation Fieldbus est un système de communication numérique utilisé dans l'automatisation avec Profibus, Modbus ou HART. La technologie est apparue un peu plus tard que ses concurrents: la première édition de la norme est datée de 1996 et comprend actuellement deux protocoles d'échange d'informations entre les participants du réseau - H1 et HSE (High Speed Ethernet).

Le protocole H1 est utilisé pour l'échange d'informations au niveau des capteurs et contrôleurs, et son réseau est basé sur la norme de couche physique CEI 61158-2, permettant un taux de transfert de données de 31,25 kbit / s. Dans ce cas, l'alimentation des appareils de terrain peut être organisée à partir du bus de données. Le réseau HSE est basé sur des réseaux Ethernet haut débit (100/1000 Mbit / s) et est utilisé pour construire un réseau de contrôle de processus automatisé au niveau des contrôleurs et des systèmes de gestion d'entreprise.

La technologie est applicable dans la construction de systèmes de contrôle industriels de toute installation industrielle, mais elle est le plus largement utilisée dans les entreprises de l'industrie pétrolière et gazière et de l'industrie chimique.

Caractéristiques technologiques

Foundation Fieldbus a été développé comme une alternative au modèle traditionnel des systèmes de contrôle automatisés basés sur des capteurs analogiques et a gagné un certain nombre d'avantages par rapport au modèle traditionnel et aux systèmes numériques basés sur Profibus ou HART.

L'un des principaux avantages réside dans le haut degré de fiabilité et de tolérance aux pannes des systèmes Foundation Fieldbus H1, obtenu grâce à deux facteurs:

utilisation sur le terrain d'appareils intelligents (capteurs et actionneurs);
la capacité d'organiser l'échange d'informations directement entre les appareils sur le terrain sans la participation d'un contrôleur.

L'intelligence des appareils de terrain réside dans la capacité de définir des algorithmes de contrôle et de traitement de l'information qui sont traditionnellement mis en œuvre dans le contrôleur. En pratique, cela permet au système de continuer à fonctionner même en cas de défaillance du contrôleur. Cela nécessite que les dispositifs de terrain soient configurés de manière appropriée et qu'un système d'alimentation électrique de bus de terrain fiable soit fourni.

Les avantages supplémentaires de la numérisation du système de contrôle et de l'utilisation de capteurs intelligents sont la capacité de recevoir plus de données, en plus de la mesure, de chaque appareil de terrain, ce qui élargit finalement la zone de surveillance du processus, qui dans les systèmes analogiques traditionnels est limitée par le système d'entrée-sortie de signal .

L'utilisation de la topologie de bus dans le réseau H1 permet de réduire la longueur des lignes de câbles, la quantité de travaux d'installation et d'éliminer l'utilisation d'équipements supplémentaires dans les systèmes de contrôle: modules d'entrée-sortie, alimentations et dans les zones à risque d'explosion - barrières de protection contre les étincelles.

Le Foundation Fieldbus H1 permet l'utilisation de câbles de communication pour capteurs 4-20 mA, qui peuvent être utilisés pour mettre à niveau des systèmes de contrôle plus anciens. Grâce à l'utilisation de principes de sécurité intrinsèque, la technologie est activement utilisée dans des atmosphères explosives. La normalisation elle-même garantit l'interchangeabilité et la compatibilité des équipements de différents fabricants, et grâce aux passerelles, il est possible d'interconnecter le réseau des appareils de terrain et les systèmes de contrôle des entreprises construits sur Ethernet.

Le Foundation Fieldbus H1 le plus similaire a des systèmes Profibus PA. Les deux technologies sont basées sur le même standard de couche physique, donc les taux de transfert de données, l'utilisation du codage Manchester, les paramètres électriques de la ligne de communication, la quantité de puissance transmise possible, la longueur de câble maximale autorisée dans le segment de réseau (1900 m) sont les mêmes pour ces systèmes. Dans les deux systèmes également, il est possible d'utiliser jusqu'à 4 répéteurs, grâce auxquels la longueur du segment peut atteindre 9,5 km. Les topologies de réseau possibles dans le système de commande ainsi que les principes de sécurité intrinsèque sont communs.

Composants du système

Les principaux éléments du réseau Foundation Fieldbus H1 sont:

contrôleur de système de contrôle décentralisé (DCS);
alimentations de bus de terrain;
périphériques d'interface modulaires ou modulaires;
terminaisons de bus;
appareils de terrain intelligents.

Le système peut également contenir des dispositifs de passerelle (dispositif de liaison), des convertisseurs de protocole, des SPD et des répéteurs.

Topologie du réseau

Un concept important dans le réseau H1 est le concept de segment. Il s'agit d'une ligne de communication réseau (Trunk), avec des branches qui en partent (Spur), à laquelle des appareils de terrain sont connectés. Le câble principal commence à la source d'alimentation du bus et se termine généralement au dernier périphérique d'interface. Quatre types de topologie sont autorisés pour la communication entre le contrôleur et les appareils de terrain: point à point, boucle, bus et arborescence. Chaque segment peut être créé à l'aide d'une topologie distincte ou à l'aide de leurs combinaisons.

Lorsque vous utilisez une topologie point à point, chaque appareil de terrain est connecté directement au contrôleur. De plus, chaque appareil de terrain connecté forme son propre segment de réseau. Une telle topologie n'est pas pratique, car elle prive le système de presque tous les avantages inhérents à Foundation Fieldbus. Trop d'interfaces sont impliquées sur le contrôleur, et pour alimenter les appareils de terrain à partir du bus de données, chaque ligne de communication doit avoir sa propre alimentation de bus de terrain. La longueur des lignes de communication est trop longue et l'échange d'informations entre les appareils s'effectue uniquement via le contrôleur, ce qui ne permet pas d'utiliser le principe de haute tolérance aux pannes des systèmes H1.

La topologie en boucle implique la connexion série des appareils de terrain les uns aux autres. Ici, tous les appareils de terrain sont combinés en un seul segment, ce qui permet d'utiliser moins de ressources. Cependant, cette topologie présente également des inconvénients - tout d'abord, il est nécessaire de prévoir des méthodes dans lesquelles la défaillance de l'un des capteurs intermédiaires n'entraîne pas une rupture de communication avec les autres. Un autre inconvénient est dû au manque de protection contre les courts-circuits dans la ligne de communication, dans laquelle l'échange d'informations dans le segment sera impossible.

Deux autres topologies de réseau, les topologies de bus et d'arborescence, ont la plus grande fiabilité et fonctionnalité, qui sont les plus largement utilisées dans la pratique lors de la construction de réseaux H1. La signification de ces topologies est d'utiliser des périphériques d'interface pour connecter des périphériques de terrain au tronc. Les appareils d'interface permettent à chaque appareil de terrain d'être connecté à sa propre interface.

Paramètres réseau

Les paramètres importants lors de la construction d'un réseau H1 sont ses paramètres physiques - combien d'appareils de terrain peuvent être utilisés dans un segment, combien de temps un segment peut-il être, combien de temps les branches peuvent-elles être. La réponse à ces questions dépend du type d'alimentation électrique et de la consommation d'énergie des appareils de terrain et, pour les installations explosives, des moyens d'assurer la sécurité intrinsèque.

Le nombre maximal d'appareils de terrain dans le segment (32) ne peut être atteint que s'ils sont alimentés localement par des sources locales et en l'absence de moyens de sécurité intrinsèque. Lors de l'alimentation de capteurs et d'actionneurs à partir du bus de données, le nombre maximal d'appareils ne peut être que de 12 ou moins, selon les méthodes permettant d'assurer la sécurité intrinsèque.

Dépendance du nombre d'appareils de terrain à la méthode d'alimentation et aux méthodes de sécurité intrinsèque.

La longueur du segment de réseau est déterminée par le type de câble utilisé. La longueur maximale de 1900 m est atteinte à l'aide d'un câble de type A (paire torsadée avec blindage). Lorsque vous utilisez un câble de type D (pas un câble multiconducteur torsadé avec un écran commun) - seulement 200 m. Par longueur de segment, on entend la somme des longueurs du câble principal et de toutes les branches de celui-ci.

Dépendance de la longueur du segment sur le type de câble.

La longueur des branches dépend du nombre d'appareils dans le segment de réseau. Ainsi, avec le nombre d'appareils jusqu'à 12, il s'agit du maximum de 120 m. Lorsque vous utilisez 32 appareils dans le segment, la longueur de branche maximale ne sera que de 1 m. Lors de la connexion d'appareils de terrain avec une boucle, chaque appareil supplémentaire réduit la longueur de branche de 30 m.

Dépendance de la longueur des branches du câble principal sur le nombre d'appareils de terrain dans le segment.

Tous ces facteurs affectent directement la structure et la topologie du système. Pour accélérer le processus de conception du réseau, ils utilisent des progiciels spéciaux tels que DesignMate du groupe FieldComm ou Planificateur de réseau de bus de terrain de Phoenix Contact. Les programmes permettent de calculer les paramètres physiques et électriques du réseau H1, en tenant compte de toutes les limitations possibles.

Objectif des composants du système

Contrôleur

La tâche du contrôleur consiste à implémenter les fonctions de l'Active Link Scheduler (LAS) - le principal appareil qui gère le réseau en envoyant des messages de service. LAS initie l'échange d'informations entre les participants du réseau avec des messages planifiés (planifiés) ou non planifiés, effectue des diagnostics et la synchronisation de tous les appareils.

De plus, le contrôleur est responsable de l'adressage automatique des appareils de terrain, agit comme un appareil passerelle, fournissant une interface Ethernet pour la communication avec le niveau supérieur du système de contrôle basé sur Foundation Fieldbus HSE ou un autre protocole de communication. Pour le niveau supérieur du système, le contrôleur fournit des fonctions de surveillance et de contrôle de la part de l'opérateur, ainsi que des fonctions de configuration à distance des appareils de terrain.

Il peut y avoir plusieurs planificateurs de liens actifs sur le réseau, garantissant une sauvegarde de leurs fonctions. Dans les systèmes modernes, les fonctions LAS peuvent être implémentées dans un périphérique passerelle qui agit comme un convertisseur de protocole pour les systèmes de contrôle basés sur une norme autre que Foundation Fieldbus HSE. Alimentations de

bus de terrain

Le système d'alimentation du réseau H1 joue un rôle clé, car pour la possibilité même d'échange d'informations, une tension comprise entre 9 et 32 V DC doit être prise en charge dans le câble de données. Que les appareils de terrain soient alimentés par le bus de données ou localement par des sources d'alimentation, des sources d'alimentation par bus sont nécessaires sur le réseau.

Par conséquent, leur objectif principal est de maintenir les paramètres électriques requis sur le bus, ainsi que les dispositifs d'alimentation connectés au réseau. Les sources d'alimentation de bus diffèrent des alimentations conventionnelles en ce qu'elles ont l'impédance correspondante du circuit de sortie aux fréquences de transmission de données. Si vous utilisez directement des alimentations 12 ou 24 V pour alimenter le réseau H1, le signal sera perdu et l'échange d'informations sur le bus est impossible.

Alimentations redondantes FB-PS pour bus de terrain (montage 4 segments).

Étant donné l'importance de fournir une alimentation par bus fiable, les alimentations pour chaque segment de réseau peuvent être redondantes. Les alimentations FB-PS de Phoenix Contact prennent en charge la technologie Auto Current Balancing. Le DIA fournit une charge symétrique entre les sources d'alimentation, ce qui affecte favorablement leurs conditions de température et conduit finalement à une augmentation de leur durée de vie.

Le système d'alimentation du réseau H1 est généralement situé dans l'armoire du contrôleur.

Appareils d'interface Les appareils d'interface

sont conçus pour connecter un groupe d'appareils de terrain au bus de données. Selon leurs fonctions, ils sont divisés en deux types: modules de protection de segment (Protecteurs de segment) et barrières de champ (Barrières de champ).

Quel que soit le type, les dispositifs d'interface protègent le réseau contre les courts-circuits et les surintensités dans les lignes sortantes. Lorsqu'un court-circuit se produit, le périphérique d'interface bloque le port d'interface, empêchant le court-circuit de se propager à travers le système et garantissant ainsi l'échange d'informations entre les autres périphériques du réseau. Après avoir éliminé le court-circuit sur la ligne, le port de communication précédemment bloqué recommence à fonctionner.

Les barrières de champ assurent en outre une isolation galvanique entre les circuits à sécurité non intrinsèque du bus principal et les circuits à sécurité intrinsèque des appareils de terrain connectés (branches).

Physiquement, les périphériques d'interface sont également disponibles en deux types: en blocs et en modules. Les dispositifs d'interface de bloc du type FB-12SP avec fonctionnalité de protection de segment permettent l'utilisation de circuits IC à sécurité intrinsèque pour connecter des dispositifs de terrain dans la zone 2, et les barrières de champ ISO FB-12SP permettent de connecter des dispositifs dans les zones 1 et 0 avec des circuits IA à sécurité intrinsèque.

Périphériques d'interface FB-12SP et FB-6SP de Phoenix Contact.

L'un des avantages des appareils modulaires est la possibilité de faire évoluer le système en sélectionnant le nombre de canaux nécessaires pour connecter les appareils de terrain. De plus, les appareils modulaires vous permettent de créer des structures flexibles. Dans une armoire de commande, les modules de protection des segments et les barrières de terrain peuvent être combinés, c'est-à-dire que les appareils de terrain situés dans différentes zones dangereuses peuvent être connectés à partir d'une armoire. Au total, jusqu'à 12 modules FB-2SP à deux canaux ou modules de barrière FB-ISO à canal unique peuvent être installés sur un bus, connectant ainsi d'une armoire à 24 appareils de terrain dans la zone 2 ou jusqu'à 12 capteurs dans la zone 1 ou 0.

Les dispositifs d'interface peuvent fonctionner dans une large plage de températures et sont installés dans des boîtiers antidéflagrants Ex e, Ex d avec un degré de protection contre la poussière et l'humidité d'au moins IP54, y compris le plus près possible de l'objet de contrôle.

Dispositifs de protection contre les surtensions

Les réseaux du champ H1 peuvent former de très longs segments et les lignes de communication peuvent passer dans des endroits où la formation de surtensions est possible. Par surtension impulsionnelle, on entend la différence de potentiel induite causée par les décharges de foudre ou les courts-circuits dans les lignes de câbles à proximité. La tension induite, dont l'amplitude est de l'ordre de plusieurs kilovolts, fait circuler les courants de décharge en kiloampères. Tous ces phénomènes se produisent en quelques microsecondes, mais peuvent entraîner une défaillance des composants du réseau H1. Pour protéger l'équipement contre de tels phénomènes, il est nécessaire d'utiliser un SPD. L'utilisation de SPD au lieu de bagues conventionnelles garantit un fonctionnement fiable et sûr du système dans des conditions défavorables.

Le principe de son fonctionnement est basé sur l'utilisation d'un quasi-court-circuit de l'ordre de la nanoseconde pour l'écoulement des courants de décharge dans un circuit dans lequel sont utilisés des éléments capables de résister à l'écoulement de courants de cette ampleur.

Il existe un grand nombre de variétés de parafoudres: monocanal, bicanal, avec fiches interchangeables, avec différents types de diagnostic - sous la forme d'un clignotant, contact sec. Les outils de diagnostic modernes de Phoenix Contact permettent de surveiller le SPD à l'aide de services numériques basés sur Ethernet. L'usine de la société en Russie produit des appareils certifiés pour une utilisation dans des atmosphères explosives, y compris les systèmes Foundation Fieldbus.

Terminateur de bus

Le terminateur remplit deux fonctions dans le réseau - il shunte le courant du bus de terrain, qui se produit en raison de la modulation du signal et empêche la réflexion du signal aux extrémités de la ligne principale, empêchant ainsi l'apparition de bruit et de gigue (gigue de phase du signal numérique). Ainsi, le terminateur évite l'apparition de données inexactes sur le réseau ou la perte de données.

Dans chaque segment du réseau H1, deux terminateurs sont requis, à chaque extrémité du segment. Les alimentations de bus et les coupleurs Phoenix Contact sont équipés de terminaisons déconnectables. La présence de terminateurs inutiles dans le réseau, par exemple, en raison d'une erreur, réduira considérablement le niveau du signal dans la ligne d'interface.

Échange entre segments

L'échange d'informations entre les appareils de terrain n'est pas limité à un segment, mais est possible entre différentes sections du réseau, qui peuvent être connectées via un contrôleur ou un réseau d'entreprise basé sur Ethernet. Dans ce cas, le protocole Foundation Fieldbus HSE ou le plus populaire, par exemple, Modbus TCP, peut être utilisé.

Lors de la construction d'un réseau HSE, des commutateurs industriels sont utilisés. Le protocole permet la redondance en anneau. Dans ce cas, il convient de rappeler que dans une topologie en anneau, les commutateurs doivent utiliser l'un des protocoles de redondance (RSTP, MRP ou Extended Ring Redundancy), en fonction de la taille et du temps de convergence requis du réseau lorsque les canaux de communication sont rompus.

L'intégration de systèmes basés sur HSE avec des systèmes tiers est possible en utilisant la technologie OPC.

Méthodes antidéflagrantes

Pour créer un système antidéflagrant, il ne suffit pas d'être guidé uniquement par les caractéristiques de sécurité contre les explosions de l'équipement et le choix de son emplacement correct dans l'installation. Au sein du système, chacun des appareils ne fonctionne pas seul, mais fonctionne au sein d'un même réseau. Dans les réseaux Foundation Fieldbus H1, l'échange d'informations entre les appareils situés dans différentes zones dangereuses est associé non seulement à la transmission de données, mais également à la transmission d'énergie électrique. La quantité d'énergie autorisée dans une zone peut ne pas être acceptable dans une autre. Par conséquent, pour évaluer la sécurité contre les explosions des réseaux de terrain et sélectionner la méthode optimale pour sa mise à disposition, une approche systématique est utilisée. Parmi ces méthodes, les méthodes les plus largement utilisées pour assurer la sécurité intrinsèque.

Pour les bus de terrain, il existe actuellement plusieurs moyens d'assurer la sécurité intrinsèque: la méthode traditionnelle des barrières de protection contre les étincelles, le concept FISCO et la technologie High Power Trunk (HPT).

Le premier d'entre eux est basé sur l'utilisation de barrières de protection contre les étincelles et met en œuvre un concept éprouvé qui a été utilisé dans les systèmes de contrôle basés sur des signaux analogiques 4-20 mA. Cette méthode est simple et fiable, mais elle limite l'alimentation des appareils de terrain dans les zones Ex 0 et 1 80 mA. Dans ce cas, selon une prévision optimiste, il est possible de connecter pas plus de 4 appareils de terrain par segment avec une consommation de 20 mA, mais en pratique pas plus de 2. Dans ce cas, le système perd tous les avantages qui existent dans Foundation Fieldbus, et conduit en fait à une topologie point à point, quand connecter un grand nombre d'appareils de terrain, le système doit être divisé en plusieurs segments. Cette méthode limite également considérablement la longueur du câble principal et des branches.

Le concept FISCO a été développé par l'Institut national allemand de métrologie et est ensuite devenu partie intégrante des normes CEI, puis GOST. Pour assurer la sécurité intrinsèque du réseau de terrain, le concept implique l'utilisation de composants répondant à certaines restrictions. Des restrictions similaires sont formulées pour les alimentations pour la puissance de sortie, pour les appareils de terrain pour la consommation d'énergie et l'inductance, pour les câbles pour la résistance, la capacité et l'inductance. De telles limitations sont associées au fait que les éléments capacitifs et inductifs peuvent accumuler de l'énergie en eux-mêmes qui, en mode d'urgence, en cas d'endommagement d'un élément du système, peuvent être libérés et provoquer une décharge d'étincelles. De plus, le concept interdit l'utilisation de la redondance dans le système d'alimentation de bus.

FISCO fournit une grande quantité de courant pour alimenter les appareils dans la zone dangereuse par rapport à la méthode de barrière de champ. 115 mA sont disponibles ici, qui peuvent être utilisés pour alimenter 4 à 5 appareils dans un segment. Cependant, il existe également des restrictions sur la longueur du câble principal et des branches.

La technologie High Power Trunk est actuellement la technologie de sécurité intrinsèque la plus courante dans les réseaux Foundation Fieldbus car elle ne présente pas les inconvénients qui existent dans les réseaux protégés par des barrières ou construits selon FISCO. Avec l'utilisation de HPT, il est devenu possible d'atteindre la limite des appareils de terrain dans un segment de réseau.

La technologie ne limite pas les paramètres électriques du réseau là où cela n'est pas nécessaire, par exemple sur la ligne de communication principale, où il n'y a pas besoin de maintenance et de remplacement d'équipements. Pour connecter des appareils de terrain situés dans la zone dangereuse, les appareils sont utilisés pour interfacer avec la fonctionnalité des barrières de terrain, qui limitent les paramètres électriques du réseau aux capteurs de puissance et sont situés directement à côté de l'objet de contrôle. Dans ce cas, le type de protection contre les explosions Ex e (protection renforcée) est utilisé dans tout le segment.

Systèmes d'automatisation Foundation Fieldbus