🙅🏻 👨🏼‍💻 🚆 Yayasan Sistem Otomasi Fieldbus 🌏 🏝️ 🚵

Foundation Fieldbus adalah sistem komunikasi digital yang digunakan dalam otomatisasi bersama dengan Profibus, Modbus atau HART. Teknologi ini muncul sedikit lebih lambat daripada para pesaingnya: edisi pertama standar adalah tahun 1996 dan saat ini mencakup dua protokol pertukaran informasi antara peserta jaringan - H1 dan HSE (High Speed Ethernet).

Protokol H1 digunakan untuk pertukaran informasi pada tingkat sensor dan pengontrol, dan jaringannya didasarkan pada standar lapisan fisik IEC 61158-2, yang memungkinkan kecepatan transfer data 31,25 kbit / dtk. Dalam hal ini, catu daya perangkat lapangan dapat diatur dari bus data. Jaringan HSE didasarkan pada jaringan Ethernet berkecepatan tinggi (100/1000 Mbit / dtk) dan digunakan untuk membangun jaringan kontrol proses otomatis pada tingkat pengontrol dan sistem manajemen perusahaan.

Teknologi ini berlaku dalam pembangunan sistem kontrol industri dari semua fasilitas industri, tetapi paling banyak digunakan di perusahaan-perusahaan di industri minyak dan gas dan industri kimia.

Fitur teknologi

Foundation Fieldbus dikembangkan sebagai alternatif untuk model tradisional sistem kontrol otomatis berbasis pada sensor analog dan memperoleh sejumlah keunggulan dibandingkan model tradisional dan sistem digital berdasarkan Profibus atau HART.

Salah satu keuntungan utama terletak pada tingkat keandalan dan toleransi kesalahan yang tinggi dari sistem Foundation Fieldbus H1, yang dicapai karena dua faktor:

gunakan di tingkat lapangan perangkat cerdas (sensor dan aktuator);
kemampuan untuk mengatur pertukaran informasi secara langsung antara perangkat tingkat lapangan tanpa partisipasi pengontrol.

Kecerdasan perangkat lapangan terletak pada kemampuan untuk meletakkan kontrol dan algoritma pemrosesan informasi yang secara tradisional diimplementasikan dalam controller. Dalam praktiknya, ini memungkinkan sistem untuk terus beroperasi walaupun pengontrolnya gagal. Ini mengharuskan perangkat lapangan dikonfigurasikan dengan benar dan disediakan sistem catu daya bus lapangan yang andal.

Manfaat tambahan dari digitalisasi sistem kontrol dan penggunaan sensor cerdas adalah kemampuan untuk menerima lebih banyak data, selain pengukuran, dari setiap perangkat lapangan, yang pada akhirnya memperluas area pemantauan proses, yang dalam sistem analog tradisional dibatasi oleh sistem input-output sinyal .

Penggunaan topologi bus dalam jaringan H1 memungkinkan pengurangan panjang kabel, jumlah pekerjaan instalasi, dan menghilangkan penggunaan peralatan tambahan dalam sistem kontrol: modul input-output, pasokan daya, dan di zona bahaya ledakan - hambatan perlindungan percikan.

Foundation Fieldbus H1 memungkinkan penggunaan kabel komunikasi sensor 4-20 mA, yang dapat digunakan untuk meningkatkan sistem kontrol yang lebih lama. Berkat penggunaan prinsip-prinsip keselamatan intrinsik, teknologi ini secara aktif digunakan di atmosfer yang eksplosif. Standardisasi sendiri menjamin pertukaran dan kompatibilitas peralatan dari berbagai produsen, dan berkat perangkat gateway, dimungkinkan untuk menghubungkan jaringan perangkat lapangan dan sistem kontrol perusahaan yang dibangun di atas Ethernet.

Foundation Fieldbus H1 yang paling mirip dengan sistem PA Profibus. Kedua teknologi didasarkan pada standar lapisan fisik yang sama, oleh karena itu laju transfer data, penggunaan pengkodean Manchester, parameter listrik dari jalur komunikasi, jumlah daya yang mungkin ditransmisikan, panjang kabel maksimum yang diijinkan dalam segmen jaringan (1900 m) adalah sama untuk sistem ini. Juga di kedua sistem ini dimungkinkan untuk menggunakan hingga 4 repeater, karena panjang segmennya bisa mencapai 9,5 km. Common adalah kemungkinan topologi jaringan dalam sistem kontrol, serta prinsip-prinsip keselamatan intrinsik.

Komponen sistem

Elemen utama dari jaringan Foundation Fieldbus H1 adalah:

pengendali sistem kontrol terdesentralisasi (DCS);
catu daya fieldbus;
perangkat antarmuka blok atau modular;
terminal bus;
perangkat bidang cerdas.

Juga dalam sistem dapat hadir perangkat Gateway (Perangkat Penghubung), konverter protokol, SPD dan repeater.

Topologi jaringan

Konsep penting dalam jaringan H1 adalah konsep segmen. Ini adalah jalur komunikasi trunk (Trunk), dengan cabang-cabangnya berangkat dari itu (Spur), ke mana perangkat lapangan terhubung. Kabel trunk dimulai dari sumber listrik bus dan biasanya berakhir di perangkat antarmuka terakhir. Empat jenis topologi diperbolehkan untuk komunikasi antara pengontrol dan perangkat lapangan: point-to-point, loop, bus, dan tree. Setiap segmen dapat dibangun menggunakan topologi terpisah, atau menggunakan kombinasinya.

Saat menggunakan topologi point-to-point, setiap perangkat bidang terhubung langsung ke controller. Selain itu, setiap perangkat bidang yang terhubung membentuk segmen jaringannya sendiri. Topologi semacam itu tidak nyaman, karena merampas sistem dari hampir semua keunggulan yang melekat pada Foundation Fieldbus. Terlalu banyak antarmuka yang terlibat pada pengontrol, dan untuk memasok perangkat lapangan dari bus data, setiap jalur komunikasi harus memiliki catu daya bus lapangan sendiri. Panjang jalur komunikasi terlalu panjang, dan pertukaran informasi antar perangkat dilakukan hanya melalui pengontrol, yang tidak memungkinkan menggunakan prinsip toleransi kesalahan yang tinggi dari sistem H1.

Topologi loop menyiratkan koneksi serial perangkat lapangan satu sama lain. Di sini, semua perangkat lapangan digabungkan menjadi satu segmen, yang memungkinkan lebih sedikit sumber daya untuk digunakan. Namun, topologi ini juga memiliki kelemahan - pertama-tama, perlu untuk memberikan metode di mana kegagalan salah satu sensor perantara tidak menyebabkan putusnya komunikasi dengan yang lain. Kelemahan lain adalah karena kurangnya perlindungan terhadap hubungan pendek di jalur komunikasi, di mana pertukaran informasi di segmen tidak mungkin dilakukan.

Dua topologi jaringan lainnya, topologi bus dan pohon, memiliki keandalan dan kepraktisan terbesar, yang paling banyak digunakan dalam praktik ketika membangun jaringan H1. Arti topologi ini adalah menggunakan perangkat antarmuka untuk menghubungkan perangkat lapangan ke bagasi. Perangkat interfacing memungkinkan setiap perangkat bidang dihubungkan ke antarmuka sendiri.

Pengaturan jaringan

Masalah-masalah penting ketika membangun jaringan H1 adalah parameter fisiknya - berapa banyak perangkat lapangan dapat digunakan dalam suatu segmen, berapa lama suatu segmen, berapa lama cabang bisa. Jawaban untuk pertanyaan ini tergantung pada jenis catu daya dan konsumsi energi perangkat lapangan, dan untuk fasilitas peledak, cara untuk memastikan keamanan intrinsik.

Jumlah maksimum perangkat lapangan dalam segmen (32) dapat dicapai hanya jika dipasok dari sumber lokal secara lokal dan tanpa adanya sarana yang secara intrinsik aman. Saat memasok sensor dan aktuator dari bus data, jumlah maksimum perangkat bisa hanya 12 atau kurang, tergantung pada metode untuk memastikan keamanan intrinsik.

Ketergantungan jumlah perangkat lapangan pada metode pasokan dan metode keselamatan intrinsik.

Panjang segmen jaringan ditentukan oleh jenis kabel yang digunakan. Panjang maksimum 1900 m dicapai menggunakan kabel tipe A (twisted pair dengan perisai). Saat menggunakan kabel tipe D (bukan kabel multicore yang dipilin dengan layar umum) - hanya 200 m. Menurut panjang segmen, dipahami jumlah panjang kabel utama dan semua cabang dari itu.

Ketergantungan panjang segmen pada jenis kabel.

Panjang cabang tergantung pada jumlah perangkat di segmen jaringan. Jadi, dengan jumlah perangkat hingga 12, ini adalah maksimum 120 m. Saat menggunakan 32 perangkat di segmen, panjang cabang maksimum hanya 1 m. Saat menghubungkan perangkat bidang dengan loop, setiap perangkat tambahan mengurangi panjang cabang hingga 30 m.

Ketergantungan panjang cabang pada kabel trunk pada jumlah perangkat lapangan di segmen.

Semua faktor ini secara langsung mempengaruhi struktur dan topologi sistem. Untuk mempercepat proses desain jaringan, mereka menggunakan paket perangkat lunak khusus seperti DesignMate dari FieldComm Group atau Fieldbus Network Planner dari Phoenix Contact. Program memungkinkan perhitungan parameter fisik dan listrik dari jaringan H1, dengan mempertimbangkan semua batasan yang mungkin.

Tujuan komponen sistem

Pengontrol

Tugas pengontrol adalah untuk mengimplementasikan fungsi Penjadwal Tautan Aktif (LAS) - perangkat utama yang mengelola jaringan dengan mengirim pesan layanan. LAS memulai pertukaran informasi antara peserta jaringan dengan pesan terjadwal (terjadwal) atau tidak terencana, melakukan diagnosa dan sinkronisasi semua perangkat.

Selain itu, pengontrol bertanggung jawab untuk pengalamatan otomatis perangkat lapangan, bertindak sebagai perangkat gateway, menyediakan antarmuka Ethernet untuk komunikasi dengan tingkat atas sistem kontrol berdasarkan pada Foundation Fieldbus HSE atau protokol komunikasi lainnya. Untuk tingkat atas sistem, controller menyediakan fungsi pemantauan dan kontrol pada bagian operator, serta fungsi konfigurasi jarak jauh perangkat lapangan.

Mungkin ada beberapa Perencana Tautan Aktif di jaringan, yang menjamin cadangan fungsinya. Dalam sistem modern, fungsi LAS dapat diimplementasikan dalam perangkat gateway yang bertindak sebagai konverter protokol untuk sistem kontrol yang dibangun di atas standar selain HSE Foundation Fieldbus. Catu daya

fieldbus

Sistem catu daya dalam jaringan H1 memainkan peran kunci, karena untuk kemungkinan pertukaran informasi, tegangan dalam kisaran dari 9 hingga 32 V DC harus didukung dalam kabel data. Terlepas dari apakah perangkat lapangan didukung oleh bus data atau secara lokal oleh sumber daya, sumber daya bus diperlukan di jaringan.

Oleh karena itu, tujuan utama mereka adalah mempertahankan parameter listrik yang diperlukan di bus, serta perangkat daya yang terhubung ke jaringan. Sumber daya bus berbeda dari catu daya konvensional karena memiliki impedansi yang sesuai dengan sirkuit keluaran pada frekuensi transmisi data. Jika Anda langsung menggunakan catu daya 12 atau 24 V untuk memberi daya pada jaringan H1, sinyal akan hilang, dan pertukaran informasi di bus tidak mungkin.

Catu daya fieldbus redundan FB-PS (unit 4 segmen).

Mengingat pentingnya menyediakan daya bus yang andal, pasokan daya untuk setiap segmen jaringan dapat menjadi berlebihan. Catu daya Phoenix Contact FB-PS mendukung teknologi Auto Current Balancing. DIA memberikan beban simetris antara sumber daya, yang secara menguntungkan memengaruhi kondisi suhu mereka dan pada akhirnya mengarah pada peningkatan masa pakai.

Sistem catu daya jaringan H1 biasanya terletak di kabinet pengontrol.

Perangkat interfacing Perangkat Interfacing

dirancang untuk menghubungkan sekelompok perangkat lapangan ke bus data. Menurut fungsinya, mereka dibagi menjadi dua jenis: modul perlindungan segmen (Pelindung Segmen) dan hambatan lapangan (Field Barriers).

Terlepas dari jenisnya, perangkat antarmuka melindungi jaringan dari arus pendek dan arus berlebih pada saluran keluar. Ketika terjadi hubung singkat, perangkat antarmuka memblokir port antarmuka, mencegah hubung singkat menyebar melalui sistem dan dengan demikian menjamin pertukaran informasi antara perangkat jaringan lainnya. Setelah menghilangkan korsleting di telepon, port komunikasi yang sebelumnya diblokir mulai bekerja kembali.

Rintangan lapangan juga menyediakan isolasi galvanik antara sirkuit bus utama yang tidak aman secara intrinsik dan sirkuit intrinsik aman dari perangkat lapangan yang terhubung (cabang).

Secara fisik, perangkat antarmuka juga tersedia dalam dua jenis - desain blok dan modular. Blok perangkat antarmuka tipe FB-12SP dengan fungsi perlindungan segmen memungkinkan penggunaan sirkuit IC yang aman secara intrinsik untuk menghubungkan perangkat lapangan di Zona 2, dan hambatan lapangan FB-12SP ISO memungkinkan perangkat penghubung di Zona 1 dan 0 dengan sirkuit IA yang aman secara intrinsik.

Perangkat antarmuka FB-12SP dan FB-6SP dari Phoenix Contact.

Salah satu keuntungan dari perangkat modular adalah kemampuan untuk skala sistem dengan memilih jumlah saluran yang diperlukan untuk menghubungkan perangkat lapangan. Selain itu, perangkat modular memungkinkan Anda membuat struktur yang fleksibel. Dalam satu kabinet kontrol, modul perlindungan segmen dan penghalang lapangan dapat digabungkan, yaitu, perangkat lapangan yang terletak di area berbahaya yang berbeda dapat dihubungkan dari satu kabinet. Secara total, hingga 12 modul FB-2SP dua saluran atau modul penghalang FB-ISO saluran tunggal dapat dipasang pada satu bus, sehingga menghubungkan dari satu kabinet ke 24 perangkat lapangan di Zona 2 atau hingga 12 sensor di Zona 1 atau 0.

Perangkat antarmuka dapat dioperasikan dalam kisaran suhu yang luas dan dipasang di dalam selungkup tahan ledakan Ex e, Ex d dengan tingkat perlindungan debu dan kelembaban minimal IP54, termasuk sedekat mungkin dengan objek kontrol.

Perangkat Perlindungan Lonjakan

Jaringan H1 bidang dapat membentuk segmen yang sangat panjang, dan jalur komunikasi dapat lewat di tempat-tempat di mana pembentukan lonjakan dimungkinkan. Dengan impuls tegangan lebih berarti perbedaan potensial yang diinduksi yang disebabkan oleh pelepasan petir atau korsleting pada saluran kabel terdekat. Tegangan yang diinduksi, yang besarnya adalah urutan beberapa kilovolt, menyebabkan arus luahan mengalir dalam kiloamp. Semua fenomena ini terjadi dalam mikrodetik, tetapi dapat menyebabkan kegagalan komponen jaringan H1. Untuk melindungi peralatan dari fenomena seperti itu, perlu menggunakan SPD. Penggunaan SPD sebagai ganti busing konvensional memastikan operasi sistem yang andal dan aman dalam kondisi buruk.

Prinsip operasinya didasarkan pada penggunaan sirkuit quasi-short dalam rentang nanosecond untuk aliran arus pelepasan dalam sirkuit di mana elemen yang digunakan dapat menahan aliran arus sebesar ini.

Ada banyak varietas SPD: saluran tunggal, dua saluran, dengan colokan yang dapat diganti, dengan berbagai jenis diagnostik - dalam bentuk penutup mata, kontak kering. Alat diagnostik modern dari Phoenix Contact memungkinkan pemantauan SPD menggunakan layanan digital berbasis Ethernet. Pabrik perusahaan di Rusia memproduksi perangkat yang disertifikasi untuk digunakan di atmosfer yang mudah meledak, termasuk sistem Foundation Fieldbus.

Terminator bus

Terminator melakukan dua fungsi dalam jaringan - terminal ini menyetel arus bus lapangan, yang terjadi karena modulasi sinyal dan mencegah pantulan sinyal dari ujung-ujung jalur trunk, sehingga mencegah munculnya noise dan jitter (fase jitter dari sinyal digital). Dengan demikian, terminator menghindari tampilan data yang tidak akurat pada jaringan atau kehilangan data sama sekali.

Di setiap segmen jaringan H1, diperlukan dua terminator, di setiap ujung segmen. Catu daya bus dan skrup Kontak Phoenix dilengkapi dengan terminator yang dapat dilepas. Kehadiran terminator yang tidak perlu dalam jaringan, misalnya, karena kesalahan, akan secara signifikan mengurangi level sinyal di garis antarmuka.

Pertukaran antar segmen

Pertukaran informasi antar perangkat lapangan tidak terbatas pada satu segmen, tetapi dimungkinkan antara berbagai bagian jaringan, yang dapat dihubungkan melalui pengontrol atau jaringan perusahaan berdasarkan Ethernet. Dalam hal ini, protokol Foundation Fieldbus HSE atau yang lebih populer, misalnya, Modbus TCP, dapat digunakan.

Saat membangun jaringan HSE, switch industri digunakan. Protokol memungkinkan redundansi dering. Dalam hal ini, perlu diingat bahwa dalam topologi cincin, switch harus menggunakan salah satu protokol redundansi (RSTP, MRP atau Extended Ring Redundancy), tergantung pada ukuran dan waktu konvergensi jaringan yang diperlukan ketika saluran komunikasi terputus.

Integrasi sistem berbasis HSE dengan sistem pihak ketiga dimungkinkan menggunakan teknologi OPC.

Metode tahan ledakan

Untuk membuat sistem tahan ledakan, tidak cukup hanya dipandu oleh karakteristik keselamatan ledakan dari peralatan dan pilihan lokasi yang benar di fasilitas. Di dalam sistem, masing-masing perangkat tidak berfungsi dengan sendirinya, tetapi bekerja dalam satu jaringan. Dalam jaringan Foundation Fieldbus H1, pertukaran informasi antara perangkat yang berlokasi di daerah berbahaya berbeda tidak hanya terkait dengan transmisi data, tetapi juga dengan transmisi energi listrik. Jumlah energi yang diizinkan di satu zona mungkin tidak dapat diterima di zona lain. Oleh karena itu, untuk menilai keamanan ledakan jaringan lapangan dan memilih metode optimal untuk penyediaannya, pendekatan sistematis digunakan. Di antara metode tersebut, metode yang paling banyak digunakan untuk memastikan keamanan intrinsik.

Untuk fieldbus, saat ini ada beberapa cara untuk memastikan keamanan intrinsik: metode tradisional hambatan keamanan intrinsik, konsep FISCO, dan teknologi High Power Trunk (HPT).

Yang pertama didasarkan pada penggunaan hambatan proteksi percikan dan mengimplementasikan konsep yang dicoba dan diuji, yang digunakan dalam sistem kontrol berdasarkan sinyal analog 4-20 mA. Metode ini sederhana dan dapat diandalkan, namun membatasi catu daya perangkat medan di Zona 0 dan 1 80 mA. Dalam hal ini, menurut perkiraan optimis, adalah mungkin untuk menghubungkan tidak lebih dari 4 perangkat lapangan per segmen dengan konsumsi 20 mA, tetapi dalam praktiknya tidak lebih dari 2. Dalam kasus ini, sistem kehilangan semua keunggulan yang ada di Foundation Fieldbus, dan pada kenyataannya mengarah ke topologi point-to-point, kapan harus menghubungkan sejumlah besar perangkat lapangan, sistem harus dibagi menjadi banyak segmen. Metode ini juga secara signifikan membatasi panjang kabel dan cabang.

Konsep FISCO dikembangkan oleh Institut Metrologi Nasional Jerman dan kemudian menjadi bagian dari standar IEC, dan kemudian GOST. Untuk memastikan keamanan intrinsik jaringan lapangan, konsep ini melibatkan penggunaan komponen yang memenuhi batasan tertentu. Pembatasan serupa diformulasikan untuk catu daya untuk daya output, untuk perangkat lapangan untuk konsumsi daya dan induktansi, untuk kabel untuk resistansi, kapasitansi dan induktansi. Keterbatasan tersebut terkait dengan fakta bahwa elemen kapasitif dan induktif dapat mengakumulasi energi di dalam dirinya sendiri, yang dalam mode darurat, jika terjadi kerusakan pada elemen sistem apa pun, dapat dilepaskan dan menyebabkan percikan api. Selain itu, konsep ini melarang penggunaan redundansi dalam sistem tenaga bus.

FISCO menyediakan sejumlah besar arus ke perangkat daya di daerah berbahaya dibandingkan dengan metode penghalang lapangan. 115 mA tersedia di sini, yang dapat digunakan untuk menyalakan 4-5 perangkat dalam satu segmen. Namun, ada juga batasan panjang kabel dan cabang.

Teknologi High Power Trunk saat ini adalah teknologi keselamatan intrinsik yang paling umum di jaringan Foundation Fieldbus karena bebas dari kerugian yang ada di jaringan yang dilindungi oleh penghalang atau dibangun menurut FISCO. Dengan penggunaan HPT, dimungkinkan untuk mencapai nilai batas perangkat lapangan di segmen jaringan.

Teknologi ini tidak membatasi parameter listrik dari jaringan di mana ini tidak perlu, misalnya, pada jalur komunikasi utama, di mana tidak perlu untuk pemeliharaan dan penggantian peralatan. Untuk menghubungkan perangkat lapangan yang terletak di area berbahaya, perangkat digunakan untuk berinteraksi dengan fungsionalitas hambatan bidang, yang membatasi parameter listrik jaringan untuk memberi daya pada sensor dan terletak tepat di sebelah objek kontrol. Dalam hal ini, tipe proteksi ledakan Ex (peningkatan perlindungan) digunakan di seluruh segmen.

Yayasan Sistem Otomasi Fieldbus