Полевой барьер foundation fieldbus

Обновлено: 04.07.2024

Вопрос Д.Милосердову и др.знатокам по Foundation Fieldbus

Добрый день!
Есть вопрос для знающих людей по FF. Перечитал всю (скорее всего) свободно доступную литературу,
интуитивно чувствую, что очень интересная и перспективная технология, но вот посмотреть или
"пощупать" пока не удалось. Хотел спросить, а как FF в жизни? Чем он упрощает прикладное ПО?
Дмитрий в нескольких ветках писал, что наладка выполняется значительно быстрее. А за счет чего?
Спасибо.
Евгений.

Лучше всего Вам съездить на завод, где FF работает и посмотреть своими глазами, поговорить с инженерами на месте, и пощупать руками.
Или ездить на выставки, где будет рабочее демо, например, в Киеве на нефтегазе.

А если кратко, то FF не упрощает, а немного усложняет ПО, но зато устраняет ряд механических операций и за этот счет ускоряет проведение работ.

Для применения FF квалификация КИПовцев должна быть выше, чем для простого КИП, поскольку все традиционные операции (настройка, калибровка) делаются уже не отверткой, а через компьютер.
Проектанты должны знать технологию и оборудование, чтобы правильно спланировать и проложить кабели.
АСУТПшники должны фактически влезать в мозги датчикам и позиционерам, поскольку функциональные блоки теперь работают не в контроллере, а в самих приборах.

спасибо за ответ. Я бы съездил, если бы в наших широтах была такая инсталляция.
У наиболее распространенных у нас Эмерсон и Ханивел, насколько я знаю, нет внедрений
проектов с FF.

Почему-то представляется, что ни проектантам, ни киповцам эта технология
особых трудностей не создаст. Проектанту по большому счету все равно какой кабель
вести от шкафа управления до кроссов и полевых приборов, а киповцы и сейчас приборы настраивают
или коммуникаторами, или PACTWare, или софтом от производителя. А вот эксплуатации
АСУТП и программистам мировоззрение придется поменять. Вернее не поменять, а расширить.

Обратил внимание, что кроме известных брендов, появилось достаточное кол-во компаний-поставщиков
пакетов конфигурирования сетевых РСУ на базе FF. Ведь при наличии качественного КИПа от
известных и не очень производителей уже нет необходимости разрабатывать ПО и железо
контроллеров, а достаточно обеспечить компьютерный интерфейс параметрирования и опроса
шины с приборами. А уж приборы сами справятся с генерированием авайрийных признаков,
передачей друг другу уставок на регулирование и с собственно регулированием.
Это, конечно, упрощенное представление о технологии FF, но, думаю, в принципе верное и указывает на
то, что эта технология на пользовательском уровне достаточно проста.

Андрей, а у Вас (имею в виду российский Роквелл) есть внедрения на FF?

Дмитрий Милосердов писал(а): Я сейчас приехал с Emerson Global Exchange, где они представляли все свои новые технологии.

А я сейчас приехал с достраивающегося корабля спецназначения (то бишь военного), где ген.проектант - не буду пока его называть - ни сном ни духом не догадывается о существовании например RS-485 ModBUS, CAN J1939, Ethernet и всего остального, про FF я вообще молчу. По кораблю гуляют адского размера кабельные трассы, всё передаётся либо 4-20 мА либо сухими контактами, стоят огромные шкафы набитые модулями ВВ контроллеров и релюхами под завязку, горы аналог-аналоговых преобразователей. Это тихий ужас! Бедные настройщики к каждому датчику и по каждому кабелю от начала до конца должны проползти по всему кораблю.

Я в шоке! И ведь находят вояки в условиях своей тесноты место для этих груд релюх и пачек кабелей. Я не говорю про то сколько это всё стОит!

По вопросам работы Форума можно обратиться по этим контактам.

Действительно, на Украине мне неизвестна ни одна инсталляция FF.
Так что смотреть живьем можно в России или в Европе.
У Роквелл в России пока нет действующих систем с FF, но обязательно будут - мы сейчас прорабатываем один проект и на столах у нас живописно разбросаны приборы FF и подключены к системе.

Что касается мнения о ненужности контроллеров, то я думаю, что такое светлое будущее наступит еще не скоро.
Все-таки приборы пока что умеют делать немногое:
- функциональные блоки AI с масштабированием сигнала для датчиков
- AO для клапанов
- DI/DO для интерфейсов с традиционными сигнализаторами и клапанами-отсекателями
- ПИД регуляторы
- Линеаризаторы сигналов

Чуть более сложные алгоритмы приходится делать в контроллере.
Регистрировать события и алармы, накапливать тренды также пока что приходится в контроллере - у датчиков пока нет еще объема памяти.
Но когда-нибудь лет через 10 это появится, и возможности датчиков выйдут на уровень контроллеров.

а есть у Вас какие-то презентации с этого мероприятия? Напр., в части сравнения М-серии и новой S-серии.
В инете доступны только PDS-ы на 11-ю версию DeltaV (или я плохо искал).
Кстати, а правда что HW для DeltaV выпускал MTL? А кто сейчас? МТЛ уже под GEFanuc-ом.

По теме - будет возможность хоть-где посмотреть, обязательно это сделаю. Но из Вашего опыта личных внедрений:
верны ли мои предположения в ответе Андрею?

MTL никогда не входил и сейчас не входит в GE.
MTL Instruments является подразделением Cooper Crouse-Hinds.

MTL производит только искробезопасные модули в/в для DeltaV, которые, впрочем, не шибко продаются.
Все железо DeltaV производится исключительно на стороне, но это не значит, что такое же можно купить у кого-то другого -- Эмерсон остается эксклюзивным владельцем прав на конструкцию и разработанные принципиальные схемы.

я неправильно выразился - продукт MOST 8000 продан МТЛ-ем Фануку, но в общем понятно.
Спасибо за ответ.

еще с пристрастием и не спрашивал ;)
Я больше общался с ними по продуктам КИП, а по системам как-то не приходилось.
Человек из нашего Эмерсона пообещал поделиться всей, какая есть, информация,
но, в принципе, информация и так есть в сети. Для меня более важны были личные
ощущения о разных этапах проекта тех людей, кто делал такие системы своими руками.
А кто остановил свой выбор на ФФ для Ванкорского м/р? И чем в данном случае
руководствовались (ценовой фактор, новизна, невозможность или затрудненность реализации
по обычной схеме)?

а ДельтаВи сама по себе подойдет для быстрых циклических задач?
Вопрос возник из-за того, что у ДельтаВи минимальный цикл выполнения - 100 мсек,
а для ПЛК цикл выполнения программы в 100 мсек - чаще всего трагедия.

сейчас задачи как таковой нет, это больше для понимания реальных возможностей РСУ.
Но предположим: в цепочке производства кокса есть углеподготовительный цех, который
принимает угли, хранит, смешивает по нужной рецептуре, измельчает и транспортирует
смешанную шихту в коксовый цех. В коксовом цехе шихта спекается в кокс в батареях.
При спекании, кроме кокса, образуется коксовый газ, из которого извлекаются механические
и химические соединения в цехе улавливания.

Углеподготовительный цех (за исключением приготовления шихты) - это в чистом виде
дискретная логика, растянутая на несколько км: последовательные цепочки (маршруты)
механизмов, вдоль которых располагаются щитовые с пусковой аппаратурой этих самых механизмов.
Дискретных входов - 1200, выходов - 250. Задача системы управления углеподготовкой - управление цепочками
механизмов, и определение причины аварийного останова и причины невозможности запуска
(технологическая - концевик, аварийная кнопка и т.д., или электрическая - тепловая защита,
оперативное питание, силовое питание и т.д.). Каждому механизму соответствует от 5 до 12 дискретных
входов, в т.ч. и быстрые, напр., импульсы от датчика скорости (скажем, 10 Гц). Важно:
- правильный запуск маршрута;
- правильный останов маршрута;
- правильное определение причины аварийного останова или неготовности к запуску, т.к. на основании
этого принимаются технологические или электрические меры. Неправильно
определил - потерял время на простое механизмов, недогрузил коксовую батарею и т.д.

Цех улавливания - это в чистом виде непрерывный процесс (контроль и регулирование уровней,
температур, расходов). В этом цехе точно подойдет РСУ, напр. ДельтаВи.

А для углеподготовительного подойдет РСУ, напр.ДельтаВи? Правильно запустить и остановить последовательность
наверняка сможет, определить неготовность к запуску - тоже. А вот детектировать причину останова?
Некоторые сигналы реально могут быть в "1" менее 1 секунды. Может быть модули SOE помогут?

Поскольку эти цеха внутри одного производства и обслуживаются одними людьми, то логично свести
разношерстность оборудования к минимуму и строить все на одной платформе. Вот мы и построили на ПЛК+СКАДА.
Хотел бы еще понять для себя насколько всеприменимы системы класса РСУ и подошла бы ДельтаВи
(или другая) для задачи управления углеподготовкой.

а какие у ДВ есть контроллеры? Я знаю только МД, МД+, вот теперь еще SD, SX.

Вот для меня загадка, а если всем стратегиям, которые только возможны для объекта,
назначить цикл выполнения 100 мсек? Не станет ли плохо процессору? Есть ли какая-то
методика расчета загрузки процессора исходя из предполагаемого кол-ва и типов
стратегий и цикла их выполнения?

Интуитивно чувствую, что потянут. Да и реализация ввода быстрых сигналов может
быть разной, напр., интеллектуальный датчик скорости, который даст сухой контакт
аварии вместо подсчета импульсов в программе процессора и т.д.
А вот относительно стоимости - прайс-листа Эмерсона у меня нет, но эксплуатация
одного из предприятий, где мы работали, утверждала, что стоимость собственно железа
вполне сопоставима с стоимостью ПЛК, особенно на фоне высокого евро. А вот лицензии
на разработку и рантайм стоят очень больших денег.

П.С. вполне возможно, что если бы была инсталляция этой самой ДВ, то части бы вопросов
не возникло. Но наш Эмерсон немного зашифрованный и не раздает налево и направо
бесценный софт. Хотя, может это и правильно.

благодарю за ответы. А кроме ДВ у Вас применяются другие РСУ?
Если да и не затруднит, то интересно было бы услышать вкратце
или можно вывести критерии лучше/хуже в техническом и финансовом
плане для РСУ разных производителей. Хотя, если скидки для Вас сравнимы
со стоимостью системы, то наверное тяжело оценить финансовый аспект ;)

Евгений Кузнецов писал(а): а ДельтаВи сама по себе подойдет для быстрых циклических задач?
Вопрос возник из-за того, что у ДельтаВи минимальный цикл выполнения - 100 мсек,
а для ПЛК цикл выполнения программы в 100 мсек - чаще всего трагедия.

для DeltaV 100 мс это самый быстрый цикл исполнения задачи. Быстрее никак нельзя.
Есть модули дискретного ввода (aka SOE) которые отмеряют время срабатывания сигнала с погрешностью 1 мс.
Но это используется для регистрации аварий -- управлять все равно быстрее 100 мс нельзя.

Выбора контроллеров у вас нет - MD это старый контроллер, и для новых систем поставляется пока только MD+.
Есть программка LoadEstimator.exe на инсталляционном диске - специально для расчета нагрузки контроллера.
Если поставите штук 50 алгоблоков в цикл 100 мсек, то контроллер захлебнется.
DeltaV рассчитана на медленные непрерывные процессы -- добыча нефти и газа, нефтепереработка, нефтехимия, фармацевтика.

Для быстрых дискретных процессов, в том числе для слежения за скоростью конвейеров, обычно применяют ПЛК или комплексные интегрированные системы управления на базе ПЛК:
PlantPAx у Allen-Bradley
PCS7 у Сименс и т.п.

В процессах углеподготовки используется много электродвигателей, которыми нужно управлять - плавный пуск или регулировка частоты. ПЛК изначально заточены под эти задачи и имеют интерфейс с MCC или VFD.

Евгений, на мой взгляд FF имеет 2 наиболее существенных преимущества перед всеми остальними fieldbus-асами. Это:
- сигнал и питание по двум проводам
- искробезопасная концепция FISCO

А возможность устраивать какие-то контуры регулирования в поле, не то что в СНГ, но и в мире используется крайне редко. Руками на стенде я пробовал это делать, но что то кроме простых контуров реализовывать не просто. Очень много ограничений нужно учитывать.
На Ванкоре тоже отказались от этой "примочки" насколько я знаю.
Вообще помнится там даже не множество клапанов перенесли на Modbus. Что делает уже невозможным управление их без контроллера.
Наладка действительно выполняется быстрее. Все стремится к plug&play )))
Кроме того огромное количество диагностической информации. Что позволяет экономить в эксплуатации, типа из-за быстрого обнаружения неисправности и предаварийному ремонту.

Но проектирование на FF имеет ряд особенностей непривычный нашим проектировщикам.
Т.к. датчики запитываются по той же шине что и сигнал, то нужно сначала подбирать кип, смотреть его потребление (ток, напряжение), потом считать потери напряжения во всем сегменте от каждого устройства до коробки и до источника. С полевыми барьерами для взрывоопасных зон это несколько проще. Таким образом определять кол-во устройств в каждом сегменте, проверить проходит ли по скорости (если нет опять переразбивать) и только потом считать кол-во модулей ввода на контроллере. При этом надо не забыть что можно и что не нужно объединять в один сегмент и что нельзя разрывать. Например устройство с разных узлов и тем более с дублирующих объединять в сегмент не стоит, а датчик и клапан из одного контура разносить не хорошо и т.д.

Только мое мнение: FF имеет смысл только на непрерывных производствах с взрывоопасными зонами и тем более на судах и платформах.
Для конвееров с их быстрыми дискретными сигналами FF точно пихать не стоит. И никогда никто не сделает концевой выключатель с поддержкой FF.

Технология применима при построении АСУ ТП любых промышленных объектов, но наибольшее распространение получила на предприятиях нефтегазовой отрасли и химической промышленности.

Возможности технологии

Foundation Fieldbus разрабатывалась как альтернатива традиционной модели автоматизированных систем управления на основе аналоговых датчиков и получила ряд преимуществ как перед традиционной моделью, так и перед цифровыми системами на основе Profibus или HART.

Одно из основных преимуществ заключается в высокой степени надежности и отказоустойчивости систем Foundation Fieldbus H1, что достигается благодаря двум факторам:

использованию на полевом уровне интеллектуальных устройств (датчиков и исполнительных механизмов);
возможности организовать информационный обмен непосредственно между устройствами полевого уровня без участия контроллера.

Дополнительные преимущества, получаемые от цифровизации системы управления и использования интеллектуальных датчиков, заключаются в возможности получить большее количество данных, помимо измерения, от каждого полевого устройства, что в конечном итоге расширяет область наблюдения за процессом, которая в традиционных аналоговых системах ограничена системой ввода-вывода сигналов.

Использование шинной топологии в сети H1 позволяет сократить длину кабельных линий, объем монтажных работ, отказаться от использования дополнительного оборудования в системах управления: модулей ввода-вывода, источников питания, а во взрывоопасных зонах — барьеров искрозащиты.

Foundation Fieldbus H1 допускает использование кабелей линий связи датчиков 4-20 мА, что может быть использовано при модернизации старых систем управления. Благодаря использованию принципов искробезопасности технология активно применяется во взрывоопасных средах. Сама стандартизация гарантирует взаимозаменяемость и совместимость оборудования различных производителей, а благодаря шлюзовым устройствам возможно сопрягать сеть полевых устройств и сети АСУ ТП предприятий, построенных на Ethernet.

Наибольшее сходство Foundation Fieldbus H1 имеет с системами Profibus PA. Обе технологии базируются на одном стандарте физического уровня, поэтому одинаковыми у этих систем являются скорости передачи данных, использование манчестерского кодирования, электрические параметры линии связи, величина возможной передаваемой мощности, максимально допустимая длина кабеля в сегменте сети (1900 м). Также в обоих системах возможно использования до 4 репитеров, благодаря чему длина сегмента может достигать уже 9,5 км. Общими являются возможные сетевые топологии в системе управления, а также принципы обеспечения искробезопасности.

Компоненты системы

Основными элементами сети Foundation Fieldbus H1 являются:

контроллер децентрализованной системы управления (DCS);
источники питания полевой шины;
блочные или модульные устройства сопряжения;
терминаторы шины;
интеллектуальные полевые устройства.

Топология сети

Важным понятием в сети H1 является понятие сегмента. Он представляет из себя магистральную линию связи (Trunk), с отходящими от нее ответвлениями (Spur), к которым подключаются полевые устройства. Магистральный кабель начинается на источнике питания шины и заканчивается обычно на последнем устройстве сопряжения. Для связи контроллера с полевыми устройствами допускается четыре вида топологии: точка-точка, шлейф, шина и дерево. Каждый сегмент может быть построен как с использованием отдельной топологии, так и с использованием их комбинаций.

При использовании топологии точка-точка каждое полевое устройство подключается к контроллеру напрямую. При этом каждое подключенное полевое устройство образует собственный сегмент сети. Такая топология оказывается неудобной, потому что лишает систему почти всех преимуществ, которые заложены в Foundation Fieldbus. На контроллере оказывается задействовано слишком много интерфейсов, а для питания полевых устройств от шины данных на каждой линии связи должен располагаться свой источник питания полевой шины. Длина линий связи оказывается слишком большой, а информационный обмен между устройствами ведется только через контроллер, что не позволяет использовать принцип высокой отказоустойчивости систем H1.

Топология шлейф подразумевает последовательное соединение полевых устройств между собой. Здесь все полевые устройства объединены в один сегмент, что позволяется задействовать меньшие ресурсы. Однако у такой топологии тоже есть недостатки – прежде всего необходимо предусмотреть методы, при которых выход из строя одного из промежуточных датчиков не приведет к обрыву связи с остальными. Еще один недостаток объясняется отсутствием защиты от короткого замыкания в линии связи, при котором информационный обмен в сегменте будет невозможен.

Наибольшей надежностью и практичностью обладают две другие топологии сети – шинная и топология дерево, которые и нашли наибольшее распространение на практике при построении сетей H1. Смысл этих топологий заключается в использовании устройств сопряжения для подключения полевых устройств к магистральной линии связи. Устройства сопряжения позволяют подключать каждое полевое устройство к собственному интерфейсу.

Параметры сети

Важными вопросами при построении сети H1 являются ее физические параметры – сколько полевых устройств возможно использовать в сегменте, какой максимальной длины может быть сегмент, какой длины могут быть ответвления. Ответ на эти вопросы зависит от типа питания и энергопотребления полевых устройств, а для взрывоопасных объектов — способов обеспечения искробезопасности.

Максимальное число полевых устройств в сегменте (32) может быть достигнуто только в случае их питания от локальных источников по месту и при отсутствии средств обеспечения искробезопасности. При питании датчиков и исполнительных механизмов от шины данных максимальное число устройств может быть только 12 или меньше в зависимости от методов обеспечения искробезопасности.

Зависимость числа полевых устройств от способа питания и методов обеспечения искробезопасности.

Длина сегмента сети определяется типом используемого кабеля. Максимальная длина 1900 м достигается при использовании кабеля типа А (витая пара с экраном). При использовании кабеля типа Д (не витой многожильный кабель с общим экраном) – только 200 м. Под длиной сегмента понимают сумму длин магистрального кабеля и всех ответвлений от него.

Зависимость длины сегмента от типа кабеля.

Длина ответвлений зависит от числа устройств в сегменте сети. Так, при числе устройств до 12 – это максимальные 120 м. При использовании в сегменте 32 устройств максимальная длина ответвлений составит всего 1 м. При подключении полевых устройств шлейфом каждое дополнительное устройство сокращает длину ответвления на 30 м.

Зависимость длины ответвлений от магистрального кабеля от числа полевых устройств в сегменте.

Все эти факторы напрямую влияют на структуру и топологию системы. Чтобы ускорить процесс проектирования сети, используют специальные программные комплексы, такие как DesignMate от организации FieldComm Group или Fieldbus Network Planner от компании Phoenix Contact. Программы позволяют производить расчет физических и электрических параметров сети H1, учитывая все возможные ограничения.

Назначение компонентов системы

Помимо этого, контроллер отвечает за автоматическую адресацию полевых устройств, выступает в роли шлюзового устройства, предоставляя интерфейс Ethernet для связи с верхним уровнем системы управления на основе Foundation Fieldbus HSE или другого коммуникационного протокола. Для верхнего уровня системы контроллер предоставляет функции мониторинга и управления со стороны оператора, а также функции удаленного конфигурирования полевых устройств.

В сети может быть несколько Активных Планировщиков Связей, гарантирующих резервирование заложенных в них функций. В современных системах функции LAS могут реализовываться в шлюзовом устройстве, выполняющем роль преобразователя протоколов для систем управления, построенных на стандарте, отличном от Foundation Fieldbus HSE.

Источники питания полевой шины

Система питания в сети H1 играет ключевую роль, потому что для самой возможности информационного обмена в кабеле передачи данных должно поддерживаться напряжение в пределах от 9 до 32 В постоянного тока. Независимо от того, питаются полевые устройства от шины передачи данных или от источников питания по месту, в сети требуются источники питания шины.

Поэтому основным их назначением является поддержание требуемых электрических параметров на шине, а также питание устройств, подключенных к сети. От обычных блоков питания источники питания шины отличаются тем, что имеют соответствующий импеданс выходной цепи на частотах передачи данных. Если для питания сети H1 напрямую использовать блоки питания 12 или 24 В, то сигнал будет потерян, а информационный обмен на шине невозможен.

Резервированные источники питания полевой шины FB-PS (сборка для 4 сегментов).

Учитывая важность обеспечения надежного питания шины, источники питания каждого сегмента сети могут быть резервированы. Источники питания FB-PS от Phoenix Contact поддерживают технологию автоматической балансировки токовой нагрузки (Auto Current Balancing). АСВ обеспечивает симметричную нагрузку между источниками питания, что благоприятно сказывается на их температурном режиме и в конечном счете ведет к повышению их срока службы.

Система питания сети H1, как правило, располагается в шкафу контроллера.

Устройства сопряжения

Устройства сопряжения предназначены для подключения группы полевых устройств к магистральной шине передачи данных. По выполняемым функциям они разделяются на два типа: модули защиты сегмента (Segment Protectors) и полевые барьеры (Field Barriers).

Вне зависимости от типа, устройства сопряжения защищают сеть от коротких замыканий и перегрузок по току в отходящих линиях. При появлении короткого замыкания устройство сопряжения блокирует интерфейсный порт, не позволяя КЗ распространиться по системе и гарантируя таким образом информационный обмен между остальными устройствами сети. После устранения КЗ на линии ранее блокированный порт связи снова начинает работать.

Полевые барьеры дополнительно обеспечивают гальваническую развязку между неискробезопасными цепями магистральной шины и искробезопасными цепями подключаемых полевых устройств (ответвлений).

Физически устройства сопряжения также бывают двух типов – в блочном и модульном исполнении. Блочные устройства сопряжения типа FB-12SP c функционалом защиты сегмента позволяют использовать для подключения полевых устройств в Зоне 2 искробезопасные цепи IC, а полевые барьеры FB-12SP ISO позволяют подключать устройства в Зоне 1 и 0 искробезопасными цепями IA.

Устройства сопряжения FB-12SP и FB-6SP от Phoenix Contact.

Одним из преимуществ модульных устройств является возможность масштабировать систему, подбирая необходимое для подключения полевых устройств количество каналов. Помимо этого, модульные устройства позволяют создавать гибкие структуры. В одном распределительном шкафу можно комбинировать модули защиты сегмента и полевые барьеры, то есть подключать от одного шкафа полевые устройства, расположенные в разных зонах взрывоопасности. Всего на одну шину можно установить до 12 двухканальных модулей FB-2SP или одноканальных модулей барьеров FB-ISO, подключая таким образом от одного шкафа до 24 полевых устройств в Зоне 2 или до 12 датчиков в Зоне 1 или 0.

Устройства сопряжения могут эксплуатироваться в широком температурном диапазоне и устанавливаются во взрывозащищенных оболочках Ex e, Ex d со степенью пылевлагозащиты не менее IP54, в том числе максимально близко к объекту управления.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений

Сети полевого уровня Н1 могут образовывать очень протяженные сегменты, а линии связи могут проходить в местах, где возможно образование импульсных перенапряжений. Под импульсными перенапряжениями понимают наведенную разность потенциалов, вызванную грозовыми разрядами или короткими замыканиями в близлежащих кабельных линиях. Наведенное напряжение, величина которого составляет порядка нескольких киловольт, вызывает протекание разрядных токов величиной в килоамперы. Все эти явления происходят в течение микросекунд, но могут привезти к выходу из строя компонентов сети Н1. Для защиты оборудования от подобных явлений необходимо использовать УЗИП. Применение УЗИП вместо обычных проходных клемм гарантирует надежную и безопасную работу системы в неблагоприятных условиях.

Принцип его действия основан на использовании квазикороткого замыкания в наносекундном диапазоне для протекания разрядных токов в контуре, в котором используются элементы, способные выдержать протекание токов такой величины.

Существует большое количество разновидностей УЗИП: одноканальные, двуканальные, со сменными штекерами, с различными типами диагностики – в виде блинкера, сухого контакта. Современные средства диагностики от Phoenix Contact позволяют осуществлять мониторинг УЗИП с использованием цифровых сервисов на основе Ethernet. На заводе компании в России выпускаются устройства, сертифицированные для применения во взрывоопасных средах, в том числе в системах Foundation Fieldbus.

Терминатор шины

Терминатор выполняет в сети две функции – шунтирует ток полевой шины, который возникает вследствие модулирования сигнала и препятствует отражению сигнала от концов магистральной линии, предотвращая таким образом появление шумов и джиттера (фазового дрожания цифрового сигнала). Таким образом, терминатор позволяет избежать появление неточных данных в сети или потерю данных совсем.

В каждом сегменте сети H1 обязательно наличие двух терминаторов, на каждом из концов сегмента. Источники питания шины и устройства сопряжения Phoenix Contact комплектуются отключаемыми терминаторами. Наличие лишних терминаторов в сети, например, вследствие ошибки будет значительно снижать уровень сигнала в интерфейсной линии.

Информационный обмен между сегментами

Информационный обмен между полевыми устройствами не ограничивается одним сегментом, а возможен между различными участками сети, которые могут быть связаны через контроллер или сеть предприятия на основе Ethernet. При этом может быть использован протокол Foundation Fieldbus HSE или более популярный, например, Modbus TCP.

При построении сети HSE применяются коммутаторы промышленного исполнения. Протокол допускает кольцевое резервирование. В этом случае стоит помнить, что в кольцевой топологии коммутаторы должны использовать один из протоколов резервирования (RSTP, MRP или Extended Ring Redundancy) в зависимости от величины и требуемого времени сходимости сети при обрыве каналов связи.

Интеграция систем на основе HSE со сторонними системами возможна с применением технологии ОРС.

Методы обеспечения взрывобезопасности

Для создания взрывобезопасной системы недостаточно руководствоваться только лишь характеристиками взрывобезопасности оборудования и выбором его правильного расположения на объекте. В рамках системы каждое из устройств не функционирует само по себе, а работает в рамках единой сети. В сетях Foundation Fieldbus H1 информационный обмен между устройствами, расположенными в разных зонах взрывоопасности, связан не только с передачей данных, но и с передачей электрической энергии. Величина энергии, которая была допустима в одной зоне, может быть неприемлема в другой. Поэтому для оценки взрывобезопасности полевых сетей и выбора оптимального метода ее обеспечения используют системный подход. Среди таких методов наибольшее распространение получили методы обеспечения искробезопасности.

Применительно к полевым шинам в настоящий момент существует несколько способов обеспечения искробезопасности: традиционный метод барьеров искрозащиты, концепция FISCO и технология High Power Trunk (HPT).

Первый из них основан на использовании барьеров искрозащиты и реализует опробованную концепцию, которая использовалась в системах управления на основе аналоговых сигналов 4-20 мА. Этот метод прост и надежен, однако ограничивает питание полевых устройств во взрывоопасных Зонах 0 и 1 80 мА. В этом случае по оптимистичному прогнозу возможно подключить не более 4 полевых устройств на сегмент с потреблением 20 мА, но на практике не более 2. В этом случае система теряет все преимущества, которые существуют в Foundation Fieldbus, и фактически приводит к топологии точка-точка, когда для подключения большого числа полевых устройств систему необходимо разбивать на множество сегментов. Также этот метод значительно ограничивает длину магистрального кабеля и ответвлений.

Концепция FISCO была разработана «Национальным метрологическим институтом Германии» и позже вошла в стандарты МЭК, а затем и в ГОСТ. Для гарантии искробезопасности полевой сети концепция подразумевает использование компонентов, удовлетворяющих определенным ограничениям. Подобные ограничения формулируются для источников питания по выходной мощности, для полевых устройств по потребляемой мощности и индуктивности, для кабелей по сопротивлению, емкости и индуктивности. Подобные ограничения связаны с тем, что емкостные и индуктивные элементы могут накапливать в себе энергию, которая в аварийном режиме, в случае повреждения какого-либо элемента системы, может высвободиться и стать причиной искрового разряда. Кроме того, концепция запрещает использование резервирования в системе питания шины.

FISCO дает большую величину тока для питания устройств во взрывоопасной зоне по сравнению с методом полевых барьеров. Здесь доступно 115 мА, что возможно использовать для питания 4-5 устройств в сегменте. Однако здесь также существуют ограничения по длине магистрального кабеля и ответвлений.

Технология High Power Trunk в настоящий момент является наиболее распространенной технологией обеспечения искробезопасности в сетях Foundation Fieldbus, потому что лишена недостатков, которые существуют в сетях, защищенных барьерами или построенными согласно FISCO. С использованием HPT стало возможно добиться предельного значения полевых устройств в сегменте сети.

Технология не ограничивает электрические параметры сети там, где в этом нет необходимости, например, на магистральной линии связи, где отсутствует необходимость в обслуживании и замене оборудования. Для подключения полевых устройств, расположенных во взрывоопасной зоне, используют устройства сопряжения с функционалом полевых барьеров, которые ограничивают электрические параметры сети для питания датчиков и располагаются непосредственно рядом с объектом управления. В этом случае на всем протяжении сегмента используется вид взрывозащиты Ех е (повышенная защита).

Б арьеры Fieldbus MTL: Особенности и преимущества.

Барьеры Fieldbus MTL серии 937х-FB на 6 или 12 спуров; возможность работы в резервированном режиме; новое компактное и экономичное решение 9377-FB3-Px — обеспечивают безопасность, возможность расширения сети, удобство в работе и снижение затрат от этапа проектирования до обслуживания.

Передовая цифровая инфраструктура Foundation Fieldbus.

Уже более двух десятилетий технология Foundation Fieldbus, интегрированная в миллионы умных установок и систем, предоставляет пользователю возможность принимать быстрые и правильные решения, повышать производительность, снижать затраты, минимизировать риски. Технология Foundation Fieldbus позволяет в полной мере раскрыть и использовать возможности установленного парка оборудования на предприятии, обеспечивая доступность к огромным массивам информации, которые генерируются современными системами автоматизации. Преимущества технологии Foundation Fieldbus реализуются в более полном сборе данных и усовершенствованном удаленном мониторинге, диагностике и управлении оборудованием. Преимущества доступны и на уровне отдельных устройств — вплоть до снижения затрат на конфигурирование и запуск в эксплуатацию элементов системы автоматизированного управления.

Основная область применения сети Fieldbus — нижний уровень распределенной системы автоматизации с подключенными устройствами, работающими во взрывоопасных средах и использующих сеть как для информационного обмена, так и для обеспечения собственного питания. Физический уровень определен стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК) и ISA (Международной ассоциацией автоматизации) — двух ведущих мировых организаций по стандартизации в области промышленной автоматики.

Fieldbus — это цифровая, двунаправленная, многоточечная, последовательная коммуникационная сеть, используемая для связи изолированных друг от друга (по функциям) устройств, таких как контроллеры, датчики, силовые приводы и т.п. Fieldbus создает локальную сеть для измерительных приборов, используемых в управлении технологическим процессом.

Стандарты открытой сети.

Технология Foundation Fieldbus применима при построении АСУ ТП любых промышленных объеĸтов, но наибольшее распространение получила на предприятиях нефтегазовой отрасли и химичесĸой промышленности. Более того, отдельные собственные протоколы производителей, которые ранее использовались, например, при работе с электроприводами клапанов, газовыми хроматографами или системами измерения параметров в резервуаре, заменяются протоколом Foundation fieldbus. Многочисленные устройства с множеством сигналов ввода / вывода работают по одной магистрали передачи данных. Технология устраняет зависимость от одного производителя, позволяя расширить взаимозаменяемость применяемых устройств.

Меньше времени на установку и меньше площадь, занимаемая оборудованием. Технология позволяет подключить параллельно ряд устройств на одну пару проводов, которая обеспечивает как питание, так и связь. Таким образом уменьшается количество используемых кабелей, кабельных лотков, плат ввода / вывода, аксессуаров и, соответственно, трудозатрат. Например, шина с 10 подключенными устройствами, в среднем по 3 сигнала на устройство, может заменить 30 пар проводов и каналов входов /выходов.
Технология Foundation Fieldbus поддерживает многопараметрические датчики, например, многоканальные температурные преобразователи, с 8 входами чувствительного элемента, которые отлично работают в приложениях по мониторингу температур.

Этап пусконаладки. На этапе пусконаладки возможно сократить объем работ по подтверждению правильности подключения устройств Fieldbus. Наладка может быть выполнена одним человеком с использованием тестового прибора, подключенного к полевой шине Fieldbus. В случае традиционного проводного монтажа 4-20 мА для проверки каждого провода и подтверждения нормальной работы каждого датчика требуется два человека.

Продукция MTL занимает уникальную нишу в области компонентов инфраструктуры Fieldbus и включает полный комплект компонентов физического уровня для установки системы Fieldbus как в опасной, так и в безопасной зоне предприятия: источники питания, преобразователи питания; хабы (концентраторы), барьеры; устройства защиты от перенапряжения; дисплеи, тестеры; защитные кожухи и другие компоненты.

Почему пользователи выбирают MTL?

Компоненты физического уровня MTL Foundation Fieldbus позволяют легко выполнить проектирование и установку сети между уровнем управления и полевыми приборами. Принимая на вооружение новую технологию, пользователи должны быть уверены в отсутствии рисков при выборе компонентов. Многолетний опыт MTL в области реализации проектов Fieldbus дает пользователям такую уверенность. Подтверждением этому является уже третье поколение искробезопасных барьеров MTL.

Барьер Fieldbus MTL на 6 и 12 спуров.

Важным понятием в сети H1 является понятие сегмента. Он представляет собой магистральную линию связи (Trunk), с отходящими от нее ответвлениями (Spur), ĸ ĸоторым подĸлючаются полевые устройства.
Барьеры серии MTL 937x-FB2 и компактный барьер 937x-FB3 для сетей Fieldbus — это серия хабов полевой установки для искробезопасного подключения 6 или 12 спуров от высокомощной магистрали к соответствующим инструментам сети Foundation Fieldbus H1. Барьеры Fieldbus MTL предназначены для установки в Зоне 1 (газ) или Зоне 21 (пыль) Опасной зоны.

Основные модульные компоненты серии MTL 937x-FB2 — барьеры Fieldbus и модули защиты от перенапряжения магистрали H1— конструктивно выполнены с возможностью замены в «горячем режиме» без необходимости получения разрешения на выполнение работ или дополнительных изолирующих выключателей.

Такой подход на практике устраняет риски, связанные с профилактическими и ремонтными работами, сокращает время на замену модуля при необходимости и не требует специально обученного персонала. Каждый искробезопасный спур поддерживает FISCO или другие сертифицированные устройства Fieldbus, расположенные в зоне 0 или 1. Спуры с опциональной защитой от короткого замыкания и высокомощная шина гальванически развязаны и не требуют защитного заземления в поле.

Барьер Fieldbus 9372-FB — возможность работы барьеров в резервированном режиме.

Резервируемый барьер Fieldbus 9372-FB — уникальная запатентованная конфигурация с резервированием, повышает доступность и надежность системы.

• Стандартизированные, предварительно собранные версии на 6 или 12 спуров;

• Интегрированная защита от перенапряжения, установленная изначально или впоследствии;

• Возможность установки в Зоне 1 или 2;

• Спуры, совместимые с FISCO или другими сертифицированными устройствами Fieldbus;

• Система барьеров в коробке из нержавеющей стали или армированного стекловолокна, или как компоненты на «открытой базе».

Основные технические характеристики
барьера Fieldbus 9372-FB

В отличие от обыкновенных барьеров Fieldbus, конструктивно выполненных как отдельно стоящий модуль, барьеры серии 9370-FB поставляются как законченные изделия в корпусе заводской сборки, не требующие дополнительного монтажа соединений. Барьеры Fieldbus серии 9370-FB питаются от шины и не требуют дополнительного источника питания в поле.

Дублирование функции барьера в коробке для полевой установки позволяет обеспечить непрерывную работу полевого сегмента. В случае отказа, аварийный сигнал поступает на хост-систему управления, извещая о необходимости замены вышедшего из строя блока и восстановлении полного резервирования.

Новый барьер серии 9377-FB3-Px — компактное экономичное решение в приложениях для Опасной зоны.

Барьер 9377-FB3-Px третьего поколения, установленный в коробке для полевого монтажа, получает питание и принимает сигналы от неискробезопасной шины, преобразуя их в ряд гальванически развязанных, искробезопасных сигналов для подключения спуров.
Один барьер Fieldbus обеспечивает подключение 12 спуров. Каждый спур имеет защиту от короткого замыкания, таким образом, независимо от проблем в полевых подключениях, все устройства продолжают работать в нормальном режиме.
Устройство защиты от перенапряжения FS32 можно установить индивидуально при подключении спура.

• Полностью укомплектованная система в коробке на 12 искробезопасных подключений спуров;

• Установка в Зоне 1 (газ) с подключением спуров в зоне 0;

• Совместимы с FISCO и другим сертифицированным оборудованием Fieldbus;

• Компактная эргономичная модульная конструкция;

• Простая установка на DIN-рейку или на панель;

• Интегрированный модуль защиты от перенапряжения для магистрали и спуров (как опция).

Основные технические характеристики
барьера 9377-FB3-Px

Установка	Зона 1
Количество сегментов	12
Ток на 1 спур (макс.)	45 мА
Ток на 12 спуров	300 мА
Максимальная длина спура	120 м
Гальваническая изоляция магистрали	1,5 кВ
Напряжение магистрали	16 - 32 В
Ток магистрали	до 2 А
Рабочая температура	-20 ℃ … +60 ℃
Вес	2,2 кг (без коробки)

Коробки для установки. В приложениях для Опасной зоны (зона 1) барьеры Fieldbus должны устанавливаться в соответствующей коробке повышенной безопасности, в которой подключения спуров и магистральные подключения будут развязаны в соответствии с требованиями Опасной зоны.

Безопасность — Компактность — Возможность расширения — Удобство в работе.

Общая доступность системы для ответственных контуров. Общая доступность системы определяется средней наработкой до отказа (англ. Mean time to failure, MTTF). Этот параметр напрямую зависит от количества используемых электронных компонентов. Например, некоторые устройства, доступные на российском рынке, могут включать от 1000 до 2000 компонентов. Можно предположить, что средняя наработка до отказа (MTTF) таких устройств может составить всего несколько десятков лет.

Для барьеров Fieldbus MTL наработка до отказа составляет 66 лет при температуре эксплуатации +50 °C. Это важный параметр, поскольку MTTF определяет общую доступность системы, что влияет на время непрерывной работы и на то, как часто конечному пользователю придется менять вышедшие из строя модули.

Метод резервирования для защиты сегмента. Отказ барьера Fieldbus может оказаться критическим и будет означать потерю всех устройств на сегменте. Общепринятой практикой является использование метода резервирования для защиты сегмента.

Максимальная доступность ответственных контуров обеспечивается резервируемыми барьерами Fieldbus MTL 9372-FB. Наиболее эффективно использование резервированных барьеров в системах SIF (приборной функции безопасности).

Оповещение хост-системы управления обеспечивается с помощью интегрированных устройств Fieldbus с функциональными блоками цифровых входов.

Резервирование или отказоустойчивость? Некоторые производители декларируют «резервирование», но зачастую отсутствует подробное описание, каким образом это достигается и какие в действительности режимы задействованы в этом процессе. Для достижения реального резервирования до уровня спура, необходимы два отдельных аппаратных устройства, что успешно реализовано в барьере MTL Fieldbus 9372-FB.

Защита от перенапряжения. Барьеры серии MTL 937x-FB2 конструктивно включают модули защиты от перенапряжения магистрали H1 и спуров. Компактный барьер 9377-FB3-Px позволяет установить устройство защиты от перенапряжения индивидуально при подключении спура.
Некоторые барьеры Fieldbus других производителей могут требовать установки модуля защиты от перенапряжения на DIN-рейку, без возможности выполнения работ в «горячем режиме».
При работе с технологией Fieldbus пользователь должен иметь возможность устанавливать компоненты защиты от перенапряжения на магистраль и на спуры тогда, когда это необходимо. Часто, на начальном этапе построения сети Fieldbus, это не всегда однозначно очевидно. В результате возникает ситуация, когда в полевой коробке для барьера обеспечивается защита для всех спуров, или производитель выпускает различные модели для разных уровней защиты. Обе альтернативы представляются дорогостоящими и сложными.

В барьере MTL 937x-FB задача реализуется с помощью модулей защиты перенапряжения вставного типа. Модули можно устанавливать в полевой корорбке на любом этапе и даже после завершения построения системы. Базовое исполнение коробки предусматривает необходимость защиты магистрали и одного или более спуров, без дополнительных проводок. Такой подход предоставляет пользователю большую гибкость.

Удобство пользователя. Направление установки терминального устройства. Часто требованием пользователя является установка терминальных блоков, ориентированных вниз по отношению к нижней плоскости коробки с тем, чтобы длина всех кабелей спуров была одинаковой. В барьере MTL 937x-FB это требование предусмотрено — терминальные блоки как стандарт ориентированы вниз.

Терминальные блоки для подключения входных магистралей. Часто возникает необходимость подключения дополнительных терминальных блоков в коробке и соответствующая разводка проводов. В ряде модулей разных производителей барьеров Fieldbus не предусмотрена возможность запасного подключения если нужно подключить дополнительный магистральный кабель. В этом случае может потребоваться установка дополнительных терминальных блоков в коробке. Напротив, барьер MTL 937x-FB, работая как хаб полевой установки, предусматривает возможность расширения.

Один из принципов, которым руководствовался Eaton Electric (MTL) при разработке барьеров — это минимизация времени и удобство обслуживания и ремонта оборудования в случае отказа. Таким образом, компоненты, которые содержат сложные электронные цепи, установлены в модули «вставного» типа, которые можно менять в «горячем режиме», в присутствии взрывоопасной атмосферы в полевых условиях.

Безопасность благодаря конструктивному исполнению. В барьере MTL 937x-FB подключение магистрального кабеля Fieldbus выполняется в отдельном закрывающемся крышкой отсеке. После подключения кабелей этот отсек будет оставаться закрытым в течение всего срока эксплуатации.
Еще одним фактором обеспечения безопасной работы является и то, что все доступные цепи и подключения в основном отсеке системы барьера MTL 937x-FB безопасны для работы под напряжением в Опасной зоне.

Габариты и возможность масштабирования. При установке барьера MTL 937x-FB на 6 спуров в коробку на 12 спуров, с небольшой разницей в стоимости, обеспечивается возможность установить второй модуль в коробку. Необходимым условием является лишь правильно подобранный источник питания и расчет ожидаемой нагрузки на сегмент.

Технология Foundation Fieldbus поднимает автоматизацию на следующий уровень — контур управления становится полностью цифровым, от датчика до позиционера — без использования промежуточных аналоговых сигналов и возможностью передачи множества сигналов от многочисленных устройств по одной и той же паре проводов. Технология Foundation Fieldbus непрерывно совершенствуется на базе обратной связи с пользователями.

Технологии распределенной полевой шины Fieldbus все более востребованы в новых отраслевых проектах. На барьеры Fieldbus MTL предоставляется 5-летняя гарантия.

Комплексные решения Foundation Fieldbus на базе оборудования MTL реализованы компанией ВСП на предприятиях: Лукойл Коми, Пермский НОС; Роснефть, ЦПС Ванкорское месторождение; Обустройство Месторождения им. Р. Требса (Варкнавтское месторождение) и месторождения им. А. Титова с использованием оборудования сети Fieldbus; Башнефть, Новоуфимский НПЗ; Омский НПЗ, Газпромнефть; Метадинеа; Яйский НПЗ; Павлодарский НХЗ; Танеко и другие.

Читайте также: