🥑 🙅 🦀 Sistemas de automação Foundation Fieldbus 🙏 👈🏼 🤓

O Foundation Fieldbus é um sistema de comunicação digital usado em automação junto com Profibus, Modbus ou HART. A tecnologia apareceu um pouco mais tarde que seus concorrentes: a primeira edição da norma é datada de 1996 e atualmente inclui dois protocolos de troca de informações entre os participantes da rede - H1 e HSE (High Speed Ethernet).

O protocolo H1 é usado para troca de informações no nível de sensores e controladores e sua rede é baseada no padrão da camada física IEC 61158-2, permitindo uma taxa de transferência de dados de 31,25 kbit / s. Nesse caso, a fonte de alimentação dos dispositivos de campo pode ser organizada a partir do barramento de dados. A rede HSE é baseada em redes Ethernet de alta velocidade (100/1000 Mbit / s) e é usada para construir uma rede de controle de processo automatizada no nível de controladores e sistemas de gerenciamento corporativo.

A tecnologia é aplicável na construção de sistemas de controle industrial de qualquer instalação industrial, mas é mais amplamente utilizada em empresas do setor de petróleo e gás e da indústria química.

Recursos de tecnologia

O Foundation Fieldbus foi desenvolvido como uma alternativa ao modelo tradicional de sistemas de controle automatizado baseado em sensores analógicos e ganhou várias vantagens em relação ao modelo tradicional e aos sistemas digitais baseados em Profibus ou HART.

Uma das principais vantagens está no alto grau de confiabilidade e tolerância a falhas dos sistemas Foundation Fieldbus H1, que é alcançado devido a dois fatores:

uso em campo de dispositivos inteligentes (sensores e atuadores);
a capacidade de organizar a troca de informações diretamente entre dispositivos em nível de campo sem a participação de um controlador.

A inteligência dos dispositivos de campo está na capacidade de estabelecer algoritmos de controle e processamento de informações que são tradicionalmente implementados no controlador. Na prática, isso permite que o sistema continue operando mesmo se o controlador falhar. Isso requer que os dispositivos de campo sejam configurados adequadamente e que seja fornecido um sistema confiável de fonte de alimentação de barramento de campo.

Benefícios adicionais da digitalização do sistema de controle e do uso de sensores inteligentes são a capacidade de receber mais dados, além da medição, de cada dispositivo de campo, o que finalmente expande a área de monitoramento de processos, que nos sistemas analógicos tradicionais é limitada pelo sistema de entrada e saída de sinais. .

O uso da topologia de barramento na rede H1 permite reduzir o comprimento das linhas de cabos, a quantidade de trabalhos de instalação e eliminar o uso de equipamentos adicionais em sistemas de controle: módulos de entrada-saída, fontes de alimentação e em zonas de risco de explosão - barreiras de proteção contra faíscas.

O Foundation Fieldbus H1 permite o uso de cabos de comunicação com sensores de 4-20 mA, que podem ser usados para atualizar sistemas de controle mais antigos. Graças ao uso de princípios intrínsecos de segurança, a tecnologia é usada ativamente em atmosferas explosivas. A própria padronização garante a intercambiabilidade e compatibilidade de equipamentos de diferentes fabricantes e, graças aos dispositivos de gateway, é possível interconectar a rede de dispositivos de campo e os sistemas de controle de empresas construídas em Ethernet.

O Foundation Fieldbus H1 mais semelhante possui os sistemas Profibus PA. Ambas as tecnologias são baseadas no mesmo padrão de camada física; portanto, as taxas de transferência de dados, o uso da codificação de Manchester, os parâmetros elétricos da linha de comunicação, a quantidade de potência possível transmitida, o comprimento máximo permitido do cabo no segmento de rede (1900 m) são os mesmos para esses sistemas. Também em ambos os sistemas é possível usar até 4 repetidores, pelos quais o comprimento do segmento pode atingir 9,5 km. Comum são as possíveis topologias de rede no sistema de controle, bem como os princípios de segurança intrínseca.

Componentes do sistema

Os principais elementos da rede Foundation Fieldbus H1 são:

controlador de sistema de controle descentralizado (DCS);
fontes de alimentação de barramento de campo;
dispositivos de interface modular ou em bloco;
terminadores de ônibus;
dispositivos de campo inteligentes.

Também no sistema podem estar presentes dispositivos Gateway (Linking Device), conversores de protocolo, SPDs e repetidores.

Topologia de rede

Um conceito importante na rede H1 é o conceito de um segmento. É uma linha de comunicação de tronco (tronco), com ramificações que partem dela (Spur), às quais os dispositivos de campo estão conectados. O cabo do tronco inicia na fonte de energia do barramento e geralmente termina no último dispositivo de interface. São permitidos quatro tipos de topologia para comunicação entre o controlador e os dispositivos de campo: ponto a ponto, loop, barramento e árvore. Cada segmento pode ser construído usando uma topologia separada ou usando suas combinações.

Ao usar uma topologia ponto a ponto, cada dispositivo de campo é conectado diretamente ao controlador. Além disso, cada dispositivo de campo conectado forma seu próprio segmento de rede. Essa topologia é inconveniente, porque priva o sistema de quase todas as vantagens inerentes ao Foundation Fieldbus. Muitas interfaces estão envolvidas no controlador e, para fornecer dispositivos de campo a partir do barramento de dados, cada linha de comunicação deve ter sua própria fonte de alimentação. O comprimento das linhas de comunicação é muito longo e a troca de informações entre os dispositivos é realizada apenas através do controlador, o que não permite o uso do princípio de alta tolerância a falhas dos sistemas H1.

A topologia de loop implica a conexão serial de dispositivos de campo entre si. Aqui, todos os dispositivos de campo são combinados em um segmento, o que permite que menos recursos sejam usados. No entanto, essa topologia também apresenta desvantagens - antes de tudo, é necessário fornecer métodos nos quais a falha de um dos sensores intermediários não leve a uma interrupção na comunicação com os outros. Outra desvantagem é devido à falta de proteção contra curtos-circuitos na linha de comunicação, na qual a troca de informações no segmento será impossível.

Duas outras topologias de rede, topologias de barramento e árvore, têm a maior confiabilidade e praticidade, que são mais amplamente usadas na prática na construção de redes H1. O significado dessas topologias é usar dispositivos de interface para conectar dispositivos de campo ao tronco. Os dispositivos de interface permitem que cada dispositivo de campo seja conectado à sua própria interface.

Configurações de rede

Questões importantes ao construir uma rede H1 são seus parâmetros físicos - quantos dispositivos de campo podem ser usados em um segmento, quanto tempo um segmento pode durar, quanto tempo as ramificações podem ter. A resposta a essas perguntas depende do tipo de fonte de alimentação e consumo de energia dos dispositivos de campo e, para instalações explosivas, maneiras de garantir segurança intrínseca.

O número máximo de dispositivos de campo no segmento (32) pode ser alcançado apenas se forem fornecidos a partir de fontes locais localmente e na ausência de meios intrinsecamente seguros. Ao fornecer sensores e atuadores a partir do barramento de dados, o número máximo de dispositivos pode ser de apenas 12 ou menos, dependendo dos métodos para garantir segurança intrínseca.

Dependência do número de dispositivos de campo no método de fornecimento e nos métodos de segurança intrínseca.

O comprimento do segmento de rede é determinado pelo tipo de cabo usado. O comprimento máximo de 1900 m é alcançado usando um cabo tipo A (par trançado com uma blindagem). Ao usar um cabo do tipo D (não um cabo multicore trançado com uma tela comum) - apenas 200 m. Por comprimento do segmento, entende-se a soma dos comprimentos do cabo principal e de todos os seus ramos.

Dependência do comprimento do segmento no tipo de cabo.

O comprimento das ramificações depende do número de dispositivos no segmento de rede. Portanto, com o número de dispositivos de até 12, esse é o máximo de 120 m. Ao usar 32 dispositivos no segmento, o comprimento máximo da ramificação será de apenas 1 m. Ao conectar dispositivos de campo com um loop, cada dispositivo adicional reduz o comprimento da ramificação em 30 m.

Dependência do comprimento das ramificações no cabo do tronco no número de dispositivos de campo no segmento.

Todos esses fatores afetam diretamente a estrutura e a topologia do sistema. Para acelerar o processo de design da rede, eles usam pacotes de software especiais, como DesignMate do FieldComm Group ou Fieldbus Network Planner da Phoenix Contact. Os programas permitem o cálculo dos parâmetros físicos e elétricos da rede H1, levando em consideração todas as limitações possíveis.

Objetivo dos componentes do sistema

Controlador

A tarefa do controlador é implementar as funções do Active Link Scheduler (LAS) - o principal dispositivo que gerencia a rede enviando mensagens de serviço. O LAS inicia a troca de informações entre os participantes da rede com mensagens agendadas (agendadas) ou não planejadas, realiza diagnósticos e sincronização de todos os dispositivos.

Além disso, o controlador é responsável pelo endereçamento automático de dispositivos de campo, atua como um dispositivo de gateway, fornecendo uma interface Ethernet para comunicação com o nível superior do sistema de controle baseado no Foundation Fieldbus HSE ou outro protocolo de comunicação. Para o nível superior do sistema, o controlador fornece funções de monitoramento e controle por parte do operador, bem como as funções de configuração remota de dispositivos de campo.

Pode haver vários Planejadores de Link Ativo na rede, garantindo um backup de suas funções. Em sistemas modernos, as funções LAS podem ser implementadas em um dispositivo de gateway que atua como um conversor de protocolo para sistemas de controle construídos em um padrão diferente do Foundation Fieldbus HSE.

Fontes de

alimentação Fieldbus O sistema de fonte de alimentação na rede H1 desempenha um papel fundamental, pois, para a possibilidade de troca de informações, uma tensão na faixa de 9 a 32 V DC deve ser suportada no cabo de dados. Independentemente de os dispositivos de campo serem alimentados pelo barramento de dados ou localmente por fontes de energia, são necessárias fontes de energia do barramento na rede.

Portanto, seu principal objetivo é manter os parâmetros elétricos necessários no barramento, bem como os dispositivos de energia conectados à rede. As fontes de energia do barramento diferem das fontes de alimentação convencionais, pois possuem a impedância correspondente do circuito de saída nas frequências de transmissão de dados. Se você usar diretamente fontes de alimentação de 12 ou 24 V para alimentar a rede H1, o sinal será perdido e a troca de informações no barramento será impossível.

Fontes de alimentação de barramento de campo redundantes FB-PS (conjunto de 4 segmentos).

Dada a importância de fornecer energia de barramento confiável, as fontes de alimentação para cada segmento de rede podem ser redundantes. As fontes de alimentação FB-PS da Phoenix Contact suportam a tecnologia Auto Current Balancing. O DIA fornece uma carga simétrica entre as fontes de energia, o que afeta favoravelmente suas condições de temperatura e, por fim, leva a um aumento na vida útil dos mesmos.

O sistema de fonte de alimentação da rede H1 geralmente está localizado no gabinete do controlador.

Dispositivos de interface Os dispositivos de interface

foram projetados para conectar um grupo de dispositivos de campo ao barramento de dados. De acordo com suas funções, eles são divididos em dois tipos: módulos de proteção de segmento (protetores de segmento) e barreiras de campo (barreiras de campo).

Independentemente do tipo, os dispositivos de interface protegem a rede contra curtos-circuitos e sobrecorrentes nas linhas de saída. Quando ocorre um curto-circuito, o dispositivo de interface bloqueia a porta da interface, impedindo que o curto-circuito se espalhe pelo sistema e, assim, garantindo a troca de informações entre outros dispositivos de rede. Após eliminar o curto-circuito na linha, a porta de comunicação bloqueada anteriormente começa a funcionar novamente.

Barreiras de campo adicionalmente fornecem isolamento galvânico entre circuitos não intrinsecamente seguros do barramento principal e circuitos intrinsecamente seguros de dispositivos de campo conectados (ramificações).

Fisicamente, os dispositivos de interface também vêm em dois tipos - em blocos e projetos modulares. Os dispositivos de interface de bloco do tipo FB-12SP com funcionalidade de proteção de segmento permitem o uso de circuitos IC intrinsecamente seguros para conectar dispositivos de campo na Zona 2, e as barreiras de campo ISO do FB-12SP permitem conectar dispositivos nas zonas 1 e 0 com circuitos IA intrinsecamente seguros.

Dispositivos de interface FB-12SP e FB-6SP da Phoenix Contact.

Uma das vantagens dos dispositivos modulares é a capacidade de dimensionar o sistema selecionando o número de canais necessários para conectar dispositivos de campo. Além disso, os dispositivos modulares permitem criar estruturas flexíveis. Em um gabinete de controle, os módulos de proteção de segmento e as barreiras de campo podem ser combinados, ou seja, os dispositivos de campo localizados em diferentes áreas de risco podem ser conectados a partir de um gabinete. No total, até 12 módulos FB-2SP de dois canais ou módulos de barreira FB-ISO de canal único podem ser instalados em um barramento, conectando-se de um gabinete a 24 dispositivos de campo na Zona 2 ou até 12 sensores na Zona 1 ou 0.

Os dispositivos de interface podem ser operados em uma ampla faixa de temperatura e são instalados em gabinetes à prova de explosão Ex e, Ex d com um grau de proteção contra poeira e umidade de pelo menos IP54, incluindo o mais próximo possível do objeto de controle.

Dispositivos de proteção contra surtos

As redes do campo H1 podem formar segmentos muito longos e as linhas de comunicação podem passar em locais onde é possível a formação de sobretensões. Por sobretensão de impulso, entende-se a diferença de potencial induzida causada por descargas atmosféricas ou curtos-circuitos nas linhas de cabos próximas. A tensão induzida, cuja magnitude é da ordem de vários quilovolts, faz com que as correntes de descarga fluam em quilos. Todos esses fenômenos ocorrem em microssegundos, mas podem levar à falha dos componentes de rede H1. Para proteger o equipamento de tais fenômenos, é necessário usar um SPD. O uso de SPDs em vez de buchas convencionais garante uma operação confiável e segura do sistema em condições adversas.

O princípio de sua operação baseia-se no uso de um curto-circuito na faixa de nanossegundos para o fluxo de correntes de descarga em um circuito no qual são utilizados elementos que podem suportar o fluxo de correntes dessa magnitude.

Há um grande número de variedades de SPDs: canal único, dois canais, com plugues intercambiáveis, com vários tipos de diagnóstico - na forma de um pisca-pisca, contato seco. As modernas ferramentas de diagnóstico da Phoenix Contact permitem o monitoramento do SPD usando serviços digitais baseados em Ethernet. A fábrica da empresa na Rússia produz dispositivos certificados para uso em atmosferas explosivas, incluindo os sistemas Foundation Fieldbus.

Terminador de barramento

O terminador executa duas funções na rede - ele desvia a corrente do barramento de campo, que ocorre devido à modulação do sinal e evita a reflexão do sinal a partir das extremidades da linha tronco, impedindo o aparecimento de ruído e instabilidade (instabilidade de fase do sinal digital). Assim, o terminador evita a aparência de dados imprecisos na rede ou a perda de dados.

Em cada segmento da rede H1, são necessários dois terminadores, em cada extremidade do segmento. As fontes de alimentação de barramento e os acopladores Phoenix Contact estão equipados com terminadores desconectáveis. A presença de terminadores desnecessários na rede, por exemplo, devido a um erro, reduzirá significativamente o nível do sinal na linha de interface.

Intercâmbio entre segmentos

A troca de informações entre dispositivos de campo não se limita a um segmento, mas é possível entre diferentes seções da rede, que podem ser conectadas através de um controlador ou uma rede corporativa baseada em Ethernet. Nesse caso, o protocolo Foundation Fieldbus HSE ou o mais popular, por exemplo, Modbus TCP, pode ser usado.

Ao construir uma rede HSE, são utilizados comutadores industriais. O protocolo permite redundância de anel. Nesse caso, vale lembrar que em uma topologia em anel, os comutadores devem usar um dos protocolos de redundância (RSTP, MRP ou Redundância Estendida em Anel), dependendo do tamanho e do tempo de convergência necessário da rede quando os canais de comunicação são interrompidos.

A integração de sistemas baseados em HSE com sistemas de terceiros é possível usando a tecnologia OPC.

Métodos à prova de explosão

Para criar um sistema à prova de explosão, não basta ser guiado apenas pelas características de segurança contra explosão do equipamento e pela escolha do local correto na instalação. Dentro do sistema, cada um dos dispositivos não funciona por si só, mas funciona em uma única rede. Nas redes Foundation Fieldbus H1, a troca de informações entre dispositivos localizados em diferentes áreas de risco está associada não apenas à transmissão de dados, mas também à transmissão de energia elétrica. A quantidade de energia permitida em uma zona pode não ser aceitável em outra. Portanto, para avaliar a segurança contra explosão das redes de campo e selecionar o método ideal para o seu fornecimento, é utilizada uma abordagem sistemática. Entre esses métodos, os métodos mais utilizados para garantir a segurança intrínseca.

Para bus de campo, atualmente existem várias maneiras de garantir a segurança intrínseca: o método tradicional de barreiras de segurança intrínsecas, o conceito FISCO e a tecnologia HPT (High Power Trunk).

O primeiro deles é baseado no uso de barreiras de proteção contra faíscas e implementa um conceito testado e comprovado, usado em sistemas de controle baseados em sinais analógicos de 4-20 mA. Este método é simples e confiável, no entanto, limita a fonte de alimentação de dispositivos de campo nas zonas Ex 0 e 1 80 mA. Nesse caso, de acordo com uma previsão otimista, é possível conectar não mais que 4 dispositivos de campo por segmento com um consumo de 20 mA, mas na prática não mais que 2. Nesse caso, o sistema perde todas as vantagens existentes no Foundation Fieldbus e, de fato, leva a uma topologia ponto a ponto, Quando conectar um grande número de dispositivos de campo, o sistema deve ser dividido em vários segmentos. Esse método também limita significativamente o comprimento do cabo e das ramificações do tronco.

O conceito FISCO foi desenvolvido pelo Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha e depois tornou-se parte dos padrões IEC e, em seguida, GOST. Para garantir a segurança intrínseca da rede de campo, o conceito envolve o uso de componentes que atendem a certas restrições. Restrições semelhantes são formuladas para fontes de alimentação para potência de saída, para dispositivos de campo para consumo e indutância de energia, para cabos de resistência, capacitância e indutância. Tais limitações estão associadas ao fato de que os elementos capacitivos e indutivos podem acumular energia em si mesmos, os quais, no modo de emergência, em caso de danos a qualquer elemento do sistema, podem ser liberados e causar uma descarga de faíscas. Além disso, o conceito proíbe o uso de redundância no sistema de energia do barramento.

O FISCO fornece uma grande quantidade de corrente para os dispositivos de energia na área de risco em comparação com o método de barreira de campo. Aqui está disponível 115 mA, que pode ser usado para alimentar 4-5 dispositivos em um segmento. No entanto, também existem restrições no comprimento do cabo e das ramificações do tronco.

Atualmente, a tecnologia High Power Trunk é a tecnologia de segurança intrínseca mais comum nas redes Foundation Fieldbus, pois está livre das desvantagens existentes em redes protegidas por barreiras ou construídas de acordo com a FISCO. Com o uso do HPT, tornou-se possível atingir o valor limite de dispositivos de campo em um segmento de rede.

A tecnologia não limita os parâmetros elétricos da rede onde isso não é necessário, por exemplo, na linha de comunicação principal, onde não há necessidade de manutenção e substituição de equipamentos. Para conectar dispositivos de campo localizados na área classificada, os dispositivos são usados para interagir com a funcionalidade de barreiras de campo, que limitam os parâmetros elétricos da rede para alimentar os sensores e estão localizados diretamente ao lado do objeto de controle. Nesse caso, o tipo de proteção contra explosão Ex e (proteção aumentada) é usado em todo o segmento.

Sistemas de automação Foundation Fieldbus