Zasilanie w sieciach Foundation Fieldbus i Profibus

Po uzupełnieniu tych wymagań o możliwość zasilania urządzeń wydaje się, że sieci bazujące na protokołach Foundation Fieldbus i Profibus mogą być tutaj jednymi z atrakcyjniejszych rozwiązań. Są one dodatkowo powszechnie stosowane na świecie w branżach takich jak rafineryjna, hutnicza i górnicza, chemiczna czy spożywcza, co sprawia, że liczba dostępnych na rynku produktów jest duża. Przyjrzyjmy się podstawowym zagadnieniom związanym z omawianymi sieciami, a także kwestiom zasilania połączonych nimi urządzeń.

FOUNDATION FIELDBUS

Fot. 1. Silniki Dunkermotoren z interfejsem Profibus DP

Rozwiązania oparte o sieci typu Foundation Fieldbus (FF) cechują się skalowalnością i otwartością, zapewniając integrację infrastruktury zakładów produkcyjnych z systemami automatyki. Umożliwiają one szybką komunikację pomiędzy urządzeniami, gwarantując bezpieczeństwo w strefach zagrożonych wybuchem (za to ostatnie odpowiada FISCO - Fieldbus Intrinsic Safety Concept). Sieci tego typu pozwalają także na zasilanie urządzeń z magistrali komunikacyjnej.

FF uznawany jest za standard przemysłowy w automatyce i jest zgodny z międzynarodowymi normami w zakresie sieci komunikacyjnych. Wśród jego współtwórców i propagatorów znajdują się m.in. tacy dostawcy jak: ABB, Emerson, Hirshman, Honeywell, IPS, Krohne, MTL Instruments, Pepperl+Fuchs, Rockwell Automation, R. Stahl, Softing czy Yokogawa. Wersje H1 i HSE (opis w dalszej części artykułu) opracowane przez Foundation Fieldbus zostały uznane przez IEC (International Electrotechnical Commission) za standardy.

Oznaczone są one jako IEC 61158 i IEC 61131-3, co potwierdza uznanie tych rozwiązań w świecie techniki. Specyfk acja Fieldbus jest ponadto zgodna z IEC 61804 (Function Blocks for Process Control and Electronic Device Description Language) i IEC 61508 (Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-Related Systems). Foundation Fieldbus bazuje na warstwowym modelu odniesienia OSI i składa się z trzech głównych komponentów funkcjonalnych: warstwy fizycznej, stosu komunikacyjnego oraz warstwy użytkownika (patrz rys. 1).

Stos komunikacyjny odpowiada warstwom od 2 do 7 modelu OSI, a warstwa aplikacji koduje i dekoduje komendy warstwy użytkownika. Z kolei warstwa łącza danych kontroluje transmisję realizowaną przez łącze fizyczne, ponadto zarządza dostępem do sieci poprzez deterministyczny, scentralizowany system zarządzania - LAS (Link Active Scheduler). LAS jest wykorzystywany do zarządzania transmisją wiadomości oraz autoryzacji wymiany danych pomiędzy urządzeniami.

Rys. 1. Model warstwowy ISO/OSI w odniesieniu do Fieldbus Foundation H1 i HSE

Fieldbus pozwala tworzyć rozwiązania sieciowe dla systemów sterowania ciągłego (H1), zaawansowanych sieci o wysokiej przepływności (HSE), jak również sprawdza się w topologiach nieciągłych, hybrydowych oraz dyskretnych. Standard umożliwia sterowanie rozproszone, współdziałanie podsystemów i urządzeń bez konieczności tworzenia dodatkowego oprogramowania. Typowa aplikacja fieldbusowa zawiera procedury wsadowe, zamknięte pętle sterowania ciągłego, zarządzanie recepturami, integrację istniejących systemów.

Do opisu urządzeń elektronicznych wykorzystywany jest język EDDL (Electronic Device Description Language), który powszechnie stosuje się w rozwiązaniach systemowych pochodzących od czołowych producentów automatyki. Wśród zakładów korzystających z rozwiązań stworzonych przez organizację Foundation Fieldbus znaleźli się m.in. Carbowil, wykorzystujący zasilacze i komponenty zgodne z FF dla oprzyrządowania w instalacjach do produkcji dwutlenku węgla, Lukoil, bazujący na omawianych systemach w oddziałach mieszania olejów smarnych, rektyfikacji wodoru i uzdatniania wody, producent PVC Shin-Etsu z Holandii korzystający z sieci Fieldbus w systemach do monitoring stanu okablowania. Do tego grona zalicza się także niemiecka firma Degussa i nigeryjski oddział Shella.

H1 ORAZ HSE

Rys. 2. Przykładowa infrastruktura sieci Foundation Fieldbus

Dwa wymienione akronimy to nazwy interfejsów stosowanych w sieciach FF. Pierwszy, H1, to interfejs fizyczny przeznaczony przede wszystkim do kontroli procesów i integracji urządzeń przemysłowych. Zapewnia on szybkość transmisji rzędu 31,25 kb/s i umożliwia połączenie m.in. elementów wykonawczych, czujników i podobnych urządzeń. H1 został zaprojektowany tak, aby działać na istniejącej infrastrukturze kablowej charakterystycznej dla Ethernetu (skrętka), zapewniając zasilanie oraz przesyłaniem sygnałów tymi samymi przewodami.

HSE (High Speed Ethernet) to z kolei rozwiązanie pracujące z szybkością 100 Mb/s i przystosowane do integracji w sieciach tworzonych w skali zakładu przemysłowego. Wykorzystywane jest ono w zaawansowanych systemach automatyki oraz złożonych aplikacjach. HSE wspiera interoperacyjność pomiędzy całkowicie różnymi kontrolerami oraz bramami wchodzącymi w skład systemów automatyki przemysłowej i cechuje się odpornością na błędy w komunikacji.

HSE bazuje na standardowym okablowaniu ethernetowym lub wykorzystuje komunikację łączami światłowodowymi. To drugie medium sprawdza się w komunikacji o dużym poziomie zaburzeń elektromagnetycznych lub też łączeniu infrastruktury przemysłowej rozproszonej na dużej przestrzeni.