🆑 👨‍👨‍👦 🚶🏿 基金会现场总线自动化系统 📝 👩🏽‍🎤 📞

Foundation Fieldbus是与Profibus，Modbus或HART一起用于自动化的数字通信系统。该技术的出现比竞争对手晚一些：该标准的第一版日期为1996年，目前包括网络参与者之间的两种信息交换协议-H1和HSE（高速以太网）。

H1协议用于传感器和控制器级别的信息交换，其网络基于IEC 61158-2物理层标准，允许31.25 kbit / s的数据传输速率。在这种情况下，可以从数据总线安排现场设备的电源。HSE网络基于高速以太网（100/1000 Mbit / s），用于在控制器和企业管理系统级别构建自动化过程控制网络。

该技术适用于任何工业设施的工业控制系统的构造，但在石油和天然气工业以及化学工业的企业中使用最为广泛。

技术特色

Foundation Fieldbus是作为基于模拟传感器的传统自动控制系统模型的替代产品而开发的，与基于Profibus或HART的传统模型和数字系统相比，它具有许多优势。

主要优势之一在于Foundation Fieldbus H1 系统的高度可靠性和容错能力，这是由于两个因素而实现的：

在现场使用智能设备（传感器和执行器）；
直接在现场级设备之间组织信息交换的能力，而无需控制器的参与。

现场设备的智能在于能够放置传统上在控制器中实现的控制和信息处理算法。实际上，即使控制器发生故障，这也可以使系统继续运行。这就要求适当配置现场设备，并提供可靠的现场总线电源系统。

控制系统的数字化和智能传感器的使用带来的其他好处是，除了可以测量之外，还可以从每个现场设备接收更多数据，从而最终扩大了过程监控范围，而在传统的模拟系统中，过程监控范围受到信号输入输出系统的限制。

在H1网络中使用总线拓扑可以减少电缆线的长度，减少安装工作量，并避免在控制系统中使用其他设备：输入输出模块，电源以及爆炸危险区域-火花防护屏障。

Foundation Fieldbus H1允许使用4-20 mA传感器通信电缆，该电缆可用于升级较旧的控制系统。由于使用了本质安全原则，该技术被积极用于爆炸性环境中。标准化本身可以保证来自不同制造商的设备的互换性和兼容性，并且借助网关设备，可以将现场设备的网络与建立在以太网上的企业的控制系统互连。

与基金会现场总线H1最为相似的是Profibus PA系统。两种技术都基于相同的物理层标准，因此这些系统的数据传输速率，曼彻斯特编码的使用，通信线路的电参数，可能的发射功率，网段中的最大允许电缆长度（1900 m）都是相同的。同样在两个系统中，最多可以使用4个中继器，因此网段长度可以达到9.5 km。常见的是控制系统中可能的网络拓扑以及本质安全性原则。

系统组成

Foundation Fieldbus H1网络的主要元素是：

分散控制系统控制器（DCS）；
现场总线电源；
块或模块化接口设备；
总线终结器；
智能现场设备。

系统中也可能存在网关设备（链接设备），协议转换器，SPD和转发器。

网络拓扑结构

H1网络中的一个重要概念是网段的概念。它是一条干线通信线路（Trunk），分支从其离开（Spur），现场设备连接到该干线。干线电缆始于总线电源，通常终止于最后一个接口设备。允许在控制器和现场设备之间进行通信的四种类型的拓扑：点对点，环路，总线和树。可以使用单独的拓扑或其组合来构建每个段。

使用点对点拓扑时，每个现场设备都直接连接到控制器。此外，每个连接的现场设备都形成自己的网段。这样的拓扑结构很不方便，因为它使系统失去了基金会现场总线固有的几乎所有优势。控制器上涉及的接口太多，并且要从数据总线为现场设备供电，每条通信线路必须具有自己的现场总线电源。通信线的长度太长，设备之间的信息交换只能通过控制器进行，这不允许使用H1系统的高容错性原则。

环路拓扑意味着现场设备之间的串行连接。在此，所有现场设备都被组合为一个段，从而允许使用更少的资源。但是，这种拓扑结构也有缺点-首先，必须提供一种方法，其中一个中间传感器的故障不会导致与其他传感器的通信中断。另一个缺点是由于缺乏针对通信线路中短路的保护，其中在该网段中的信息交换将是不可能的。

总线和树形拓扑是另外两个网络拓扑，它们具有最高的可靠性和实用性，在构建H1网络时，它们在实践中使用最为广泛。这些拓扑的含义是使用接口设备将现场设备连接到中继。接口设备允许将每个现场设备连接到其自己的接口。

网络设置

建立H1网络时，重要的问题是其物理参数-一个网段中可以使用多少个现场设备，一个网段可以多长时间，分支可以多长时间。这些问题的答案取决于现场设备的电源类型和能耗，对于爆炸性设施而言，要确保本质安全。

只有在本地从本地供应并且没有本质安全手段的情况下，才能实现段（32）中最大数量的现场设备。从数据总线为传感器和执行器供电时，设备的最大数量只能为12个或更少，这取决于确保本质安全的方法。

现场设备的数量取决于供电方法和本质安全方法。

网段的长度取决于所用电缆的类型。使用A型电缆（带屏蔽的双绞线）可实现1900 m的最大长度。当使用D型电缆（不是带公共屏蔽的多芯双绞线电缆）时-仅200 m。按网段长度理解，主电缆及其所有分支的长度之和。

段长取决于电缆类型。

分支的长度取决于网段中的设备数量。因此，在设备数量最多为12的情况下，最大长度为120 m；在网段中使用32个设备时，最大分支长度仅为1 m；将现场设备与环路连接时，每增加一个设备，分支长度就会减少30 m。

干线上的分支长度取决于网段中现场设备的数量。

所有这些因素都直接影响系统的结构和拓扑。为了加快网络设计过程，他们使用特殊的软件包，例如FieldComm Group的DesignMate或Phoenix Contact的Fieldbus Network Planner。该程序允许考虑所有可能的限制来计算H1网络的物理和电气参数。

系统组件的用途

控制器

控制器的任务是实现Active Link Scheduler（LAS）（通过发送服务消息来管理网络的主要设备）的功能。 LAS使用计划的（计划的）或计划外的消息启动网络参与者之间的信息交换，对所有设备进行诊断和同步。

另外，控制器负责现场设备的自动寻址，充当网关设备，基于Foundation Fieldbus HSE或其他通信协议，提供以太网接口以与控制系统的上层通信。对于系统的高层，控制器提供操作员方面的监视和控制功能，以及现场设备的远程配置功能。

网络上可以有多个Active Link Planner，以确保对其功能进行备份。在现代系统中，可以在网关设备中实现LAS功能，该网关设备充当基于Foundation Fieldbus HSE以外标准建立的控制系统的协议转换器。

现场总线

电源H1网络中的电源系统起着关键作用，因为为了进行信息交换，数据电缆中必须支持9至32 V DC的电压。无论现场设备由数据总线供电还是由电源本地供电，网络上都需要总线电源。

因此，它们的主要目的是维持总线以及连接到网络的功率设备上所需的电气参数。总线电源与常规电源的不同之处在于，它们在数据传输频率下具有输出电路的相应阻抗。如果直接使用12或24 V电源为H1网络供电，则信号将丢失，并且无法在总线上交换信息。

FB-PS冗余现场总线电源（4段组件）。

考虑到提供可靠的总线电源的重要性，每个网段的电源都可以冗余。 Phoenix Contact的FB-PS电源支持自动电流平衡技术。 DIA在电源之间提供了对称的负载，这有利地影响了电源的温度条件，并最终导致了使用寿命的延长。

H1网络的电源系统通常位于控制柜中。

接口设备接口

设备旨在将一组现场设备连接到数据总线。根据其功能，它们分为两种类型：段保护模块（段保护器）和场屏障（场屏障）。

无论哪种类型，接口设备都可以保护网络免受短路和输出线路中的过电流的影响。当发生短路时，接口设备将阻塞接口端口，从而防止短路在系统中传播，从而确保其他网络设备之间的信息交换。消除线路上的短路后，先前阻塞的通信端口将再次开始工作。

现场屏障还可以在主总线的非本质安全电路与所连接的现场设备（分支机构）的本质安全电路之间提供电流隔离。

物理上，接口设备也有两种类型-块状和模块化设计。具有段保护功能的FB-12SP类型的块接口设备允许使用本质安全的IC电路连接区域2中的现场设备，而FB-12SP ISO现场屏障则允许将区域1和0中的设备与本质安全的IA电路连接。

Phoenix Contact的FB-12SP和FB-6SP接口设备。

模块化设备的优势之一是能够通过选择连接现场设备所需的通道数来扩展系统。此外，模块化设备使您可以创建灵活的结构。在一个配电柜中，可以组合分段保护模块和现场屏障，也就是说，可以从一个机柜中连接位于不同危险区域的现场设备。一条总线上最多可以安装12个两通道FB-2SP模块或单通道FB-ISO隔离模块，因此从一个机柜连接到区域2中的24个现场设备，或者在区域1或0中最多连接12个传感器。

接口设备可以在很宽的温度范围内运行，并安装在防爆外壳Ex e，Ex d中，其防尘和防潮等级至少为IP54，包括与控制对象尽可能接近的等级。

电涌保护器

现场H1网络可以形成很长的网段，并且通讯线路可以通过可能形成电涌的地方。脉冲过电压是指由雷电放电或附近电缆线路短路引起的感应电势差。感应电压的大小约为几千伏，它使放电电流以千安培为单位流动。所有这些现象在几秒钟内就会发生，但可能导致网络组件H1出现故障。为了保护设备免受此类现象的影响，必须使用SPD。使用SPD代替传统的衬套可确保在不利条件下系统的可靠和安全运行。

其工作原理是基于在纳秒级范围内使用准短路来使电路中的放电电流流过，在该电路中使用的元件可以承受这种大小的电流。

SPD的种类繁多：单通道，两通道，带可互换插头，具有各种类型的诊断程序-呈信号灯，干触点形式。 Phoenix Contact的现代诊断工具允许使用基于以太网的数字服务监视SPD。该公司在俄罗斯的工厂生产经认证可用于爆炸性环境的设备，包括Foundation Fieldbus系统。

总线终结器

终结器在网络中执行两项功能-它使由于信号调制而产生的现场总线电流分流，并防止信号从干线末端反射出来，从而防止出现噪声和抖动（数字信号的相位抖动）。因此，终结器可避免出现网络上不正确的数据或根本不会丢失数据的情况。

在H1网络的每个网段中，在网段的每一端都需要两个终结器。总线电源和Phoenix Contact耦合器均配有可断开的终端器。例如由于错误，网络中不必要的终结器的存在将大大降低接口线中的信号电平。

段之间的互换

现场设备之间的信息交换不限于一个网段，而是可以在网络的不同部分之间交换，可以通过基于以太网的控制器或企业网络进行连接。在这种情况下，可以使用Foundation Fieldbus HSE协议或更流行的协议，例如Modbus TCP。

建立HSE网络时，使用工业交换机。该协议允许环网冗余。在这种情况下，值得记住的是，在环形拓扑中，交换机必须使用冗余协议之一（RSTP，MRP或扩展环形冗余），具体取决于通信信道中断时网络的大小和所需的收敛时间。

使用OPC技术可以将基于HSE的系统与第三方系统集成在一起。

防爆方法

要创建一个防爆系统，仅靠设备的防爆安全特性以及在设施中的正确位置进行选择是不够的。在系统内，每个设备都无法单独运行，而是在单个网络中工作。在Foundation Fieldbus H1网络中，位于不同危险区域的设备之间的信息交换不仅与数据传输相关，而且还与电能传输相关。一个区域中允许的能量数量可能在另一个区域中是不可接受的。因此，为了评估现场网络的爆炸安全性并选择提供该方法的最佳方法，使用了一种系统的方法。在这些方法中，最广泛使用的确保本质安全的方法。

对于现场总线，目前有几种方法可以确保本质安全：传统的火花防护屏障方法，FISCO概念以及高功率干线（HPT）技术。

其中第一个基于使用火花防护栅，并实施了久经考验的概念，该概念已在基于模拟4-20 mA信号的控制系统中使用。这种方法简单可靠，但是，它限制了Ex区域0和1 80 mA中现场设备的电源。在这种情况下，根据乐观的预测，每个网段最多可以连接4个现场设备，消耗的电流为20 mA，但实际上不超过2个。在这种情况下，系统失去了Foundation Fieldbus中存在的所有优势，实际上导致了点对点拓扑，当连接大量现场设备时，系统必须分为许多部分。此方法还显着限制了干线电缆和分支的长度。

FISCO概念是由德国国家计量学会开发的，后来成为IEC标准的一部分，然后成为GOST的一部分。为了确保现场网络的本质安全，该概念涉及使用满足某些限制的组件。针对输出功率的电源，针对功耗和电感的现场设备，针对电阻，电容和电感的电缆也制定了类似的限制。这种限制与以下事实有关：电容性和电感性元素本身会积聚能量，在紧急模式下，如果损坏系统的任何元素，会释放能量并引起火花放电。另外，该概念禁止在总线电源系统中使用冗余。

与场障方法相比，FISCO为危险区域中的功率设备提供了大量电流。这里提供115 mA，可用于为一个网段中的4-5个设备供电。但是，干线和分支的长度也受到限制。

高功率干线技术目前是Foundation Fieldbus网络中最常见的本质安全技术，因为它没有受到障碍保护或FISCO建造的网络中存在的缺点。通过使用HPT，可以实现网络段中现场设备的极限值。

该技术不会限制不需要的网络电气参数，例如在不需要维护和更换设备的主通信线路上。为了连接位于危险区域的现场设备，需要使用设备与现场屏障的功能接口，这些屏障会限制为传感器供电的网络电气参数，并且直接位于控制对象旁边。在这种情况下，整个网段都使用防爆类型Ex e（增强防护）。

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