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 Zasilacz przeznaczony do sieci Fieldbus charakteryzuje się zrównoważoną wartością impedancji pomiędzy wszystkimi trzema zaciskami wyjściowymi, zapewniającą pełną symetrię jego pracy. W normalnych zasilaczach impedancja pomiędzy plusem napięcia wyjściowego a masą (obudową) zasilacza nie musi być równa impedancji pomiędzy minusem a obudową (rys. 1). Taka symetria nie jest priorytetem konstrukcyjnym, gdyż nie jest do niczego potrzebna, a uzyskać ją jest niełatwo i wymaga to specjalnych zabiegów.

Oprócz przekształtnika (przetwornicy) napięcia w zasilaczu jest wiele obwodów pomocniczych i zabezpieczających. Na wejściu znajduje się też filtr przeciwzakłóceniowy, który połączony jest z obudową zasilacza. Elementy te zaburzają symetrię impedancji wyjściowej, gdyż symetria musi dotyczyć nie tylko rezystancji wyjściowej, ale również pojemności wyjściowej składającej się na impedancję. Wymagania symetrii impedancji pomiędzy zaciskami wyjściowymi są pochodną konstrukcji sieci bazującej na dwużyłowym ekranowanym kablu oraz faktu, że urządzenia peryferyjne są zasilane za pomocą tego samego przewodu, którym przesyłane są dane.

Kabel sieciowy (skrętka) do zastosowań w przemyśle jest wyposażony w metalowy ekran zapobiegający przenikaniu zakłóceń i umożliwiający transmisję danych na dalekie odległości, znacznie przekraczające typowe 100m spotykane w produktach konsumenckich bazujących na Ethernecie. Ekran ten dołącza się do masy (obudowy) zasilacza, przez co sygnały transmitowane dwoma żyłami kabla, w tym również zasilanie, są symetrycznie rozłożone pod względem elektrycznym w stosunku do ekranu.

W tym momencie staje się jasne, że dołączenie do symetrycznej z natury sieci Fieldbus przypadkowego, niesymetrycznego zasilacza rozsymetryzuje ją. W efekcie mogą pojawić się problemy z uzyskaniem szybkiej transmisji na dalekich odległościach, gdyż symetria wszystkich sieci bazujących na okablowaniu skrętką jest podporządkowana minimalizacji zakłóceń. Pasożytnicze sygnały indukujące się w przewodach sieciowych odejmują się od siebie dzięki różnicowej transmisji sygnału.

Dla symetrycznego toru transmisji (kabla) poziom indukowanych zakłóceń w przewodzie idącym "tam" jest taki sam jak w "z powrotem" i tym samym zakłócenia kompensują się do zera. Rozsymetryzowanie sieci powoduje, że kompensacja zakłóceń w ten sposób jest niepełna, i na wejściu odbiornika pojawia się sygnał niepożądany nakładający się na transmitowane dane. Pojawiają się też przesłuchy będące skutkiem tego, że poziom napięć w parze przewodów skrętki nie będzie taki sam. Skutkiem jest oczywiście wzrost liczby błędów transmisji.

Dopasowanie falowe

Oprócz symetrii impedancji w zasilaczu prawidłowa realizacja zasilania urządzeń wymaga dopasowania falowego impedancji po stronie zasilacza i w urządzeniu na końcu sieci. Dołączenie bezpośrednie do kabla typowego 24-woltowego zasilacza, nawet doskonale symetrycznego, do przewodu sieciowego, uniemożliwiłoby transmisję danych. Specyfika zasilania przez kabel sieciowy wymaga nałożenia (zsumowania) napięcia zasilającego z sygnałem wysokiej częstotliwości, który jest zmodulowanym nośnikiem dla przesyłanych danych.

Takie zsumowanie musi być wykonane w sposób zapewniający izolację sygnału transmisji danych od stałego napięcia pochodzącego z zasilacza. Wysoka szybkość transmisji powoduje, że zakres częstotliwości sygnału w.cz. (tego z danymi) sięga od zera do kilkudziesięciu megaherców. Szerokie pasmo wymaga zapewnienia dopasowania falowego po obu stronach kabla, gdyż inaczej pojawią się oscylacje i odbicia sygnału uniemożliwiające transmisję.

Brak dopasowania falowego niesie ze sobą takie same skutki jak niesymetria, gdyż silnie ogranicza wydajność sieci oraz sprawia, że staje się ona podatna na wiele losowych czynników: ułożenie kabla, sygnały zakłócające np. z telefonów komórkowych, długość przewodu i podobne zjawiska niepożądane wynikające z pojawienia się w torze transmisyjnym fali stojącej, z węzłami i strzałkami napięcia. Separacja zasilacza od transmitowanych danych jest też konieczna dla zapewnienia jego poprawnej pracy.

Szybkozmienny sygnał w.cz. docierający do układów regulacyjnych w  zasilaczu jest w stanie zakłócić jego pracę, w tym jakość stabilizacji. Dlatego napięcie wyjściowe z zasilacza dołącza się do sieci za pośrednictwem układu separująco-dopasowującego (rys. 2). Składa się on z cewki indukcyjnej, która przewodzi dobrze prąd stały, ale stanowi przerwę dla sygnałów zmiennych związanych z transmitowanymi danymi oraz rezystora o oporności 50Ω, zapewniającego dopasowanie falowe. Pojedynczy układ niesymetryczny często zastępowany jest konstrukcją podwójną, która jest bardziej uniwersalna.

Taki układ rozdziela w sieci sygnał zasilania od danych i pozwala na dopasowanie niskiej oporności wewnętrznej zasilacza do wymaganej impedancji falowej kabla wynoszącej 50Ω. Musi on być stosowany zarówno po stronie nadawczej, a więc przy zasilaczu, jak i w każdym odbiorniku dołączonym do sieci. Oczywiście w praktycznych realizacjach coraz rzadziej element separujący składa się z cewki i rezystora; z uwagi na wymiary dławika i moc traconą w rezystorze elementy te są zastępowane przez żyrator (aktywną indukcyjność) i dopasowanie tranzystorowe.

Niemniej idea funkcjonalna jest za każdym razem taka sama. W przypadku, gdy sieć komunikacyjna ma złożoną strukturę, zawiera wiele gałęzi, podsieci, można wykorzystać jeden zasilacz wyposażony w wielokrotny obwód separujący pokazany na rysunku 3. Rozdziela on zasilanie do dwóch strumieni danych.