پایه فیلدباس – مزایا، محدودیت ها، معماری

پایه فیلدباس :

Foundation™ Fieldbus یک سیستم ارتباطی کاملا دیجیتال، سریال، دو طرفه و چند قطره است که با سرعت ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه اجرا می شود و برای اتصال تجهیزات میدانی هوشمند مانند سنسورها، محرک ها و کنترلرها استفاده می شود.

فهرست مطالب

• Foundation Fieldbus
• مشخصات استاندارد Fieldbus
• آنالوگ در مقابل Fieldbus
• مزایای Foundation Fieldbus
• محدودیت های فیلدباس پایه
• معماری Foundation Fieldbus
• توپولوژی ها
• طرح زمین

Foundation™ Fieldbus اجازه می دهد تا “متغیرهای متعدد” از هر دستگاه برای بایگانی، تجزیه و تحلیل روند، بهینه سازی فرآیند، گزارش، نگهداری پیش بینی و مدیریت دارایی به سیستم کنترل وارد شود.

Foundation Fieldbus

این شبکه به عنوان یک شبکه محلی (LAN) برای ابزار دقیق مورد استفاده در کارخانه‌ها و امکانات فرآیند با قابلیت داخلی برای نظارت و توزیع برنامه‌های کنترل در سراسر شبکه عمل می‌کند.

در فیلدباس، چندین متغیر فرآیند و همچنین اطلاعات دیگر می‌توانند در طول یک جفت سیم منتقل شوند. قابلیت‌های خود تشخیصی و ارتباطی دستگاه‌های فیلدباس مبتنی بر ریزپردازنده به کاهش زمان توقف و بهبود ایمنی کارخانه کمک می‌کند.

بسیاری از عملکردهای سیستم کنترل مانند AI، PID و AO را می‌توان با استفاده از این بلوک‌های تابع استاندارد توسط دستگاه میدانی انجام داد. توزیع کنترل در دستگاه های میدانی می تواند میزان سخت افزار مورد نیاز را کاهش دهد.

اتصال

چند قطره برای اتصال است چندین دستگاه میدانی به یک کابل واحد، و کاهش کابل ها مزایای زیادی را به همراه دارد. در اینجا مثالی از اتصال چند قطره ای است که در زیر نشان داده شده است:

در یک سیستم انتقال آنالوگ، فقط یک دستگاه میدانی را می توان به یک کابل واحد متصل کرد که به یک سیستم منتهی می شود. اتصال چند قطره اجازه می دهد تا چندین دستگاه فیلد به یک کابل متصل شوند. در جایی که کابلی از قبل نصب شده باشد، می‌توان دستگاه‌های میدان دیگری را بعداً متصل کرد.

در گذشته، اتصال چند قطره دستگاه‌های میدانی پرهزینه بود. با معرفی اتصال چند قطره سیستم ارتباط فیلدباس، دستگاه های میدان بیشتری را می توان بدون افزایش هزینه سیم کشی به یک فیلدباس واحد متصل کرد.

Fieldbus کاملاً با رویکرد سنتی اتصال دستگاه‌های ۴ تا ۲۰ میلی آمپر به یک سیستم DCS با استفاده از جفت سیم اختصاصی برای هر دستگاه متفاوت است. دستگاه‌ها و بخش‌های میدانی بخشی از DCS می‌شوند.

این به یک رویکرد یکپارچه پیکربندی، مدیریت داده و رویکرد معماری سیستم برای طراحی شبکه میدانی نیاز دارد. عملکردهای پیچیده ای را می توان در دستگاه های FF به دست آورد، که منجر به صرفه جویی قابل توجه در هزینه و کاهش قابل ملاحظه زمان راه اندازی و راه اندازی می شود.

Foundation Fieldbus برای اکثر برنامه‌های کنترل فرآیند استفاده می‌شود. ، از جمله ابزارهای میدانی متصل به DCS. این شامل شیرهای کنترل، سوپاپ های موتوری، فرستنده ها و نشانگرهای محلی می شود.

مشخصات استاندارد فیلدباس

مشخصات لایه فیزیکی فیلدباس با سرعت کم و پرسرعت وجود دارد که توسط IEC61158-2 و ISA S50.02 استاندارد شده است.

اطلاعات فیلدباس پرسرعت برای توسعه پذیرفته نشد و مشخصات اترنت با سرعت بالا (HSE) به عنوان یک نوع اضافی اضافه شد.

Multivarable به معنی چند متغیر اندازه گیری شده است. تشخیص چند متغیره، یا سنجش چندگانه، به معنای شناسایی چندین متغیر اندازه‌گیری شده توسط یک دستگاه میدانی واحد است.

آنالوگ در مقابل فیلدباس

یک سیستم انتقال آنالوگ معمولی به یک کابل برای هر متغیر اندازه گیری شده نیاز دارد. با این حال، فیلدباس از انتقال چند متغیره پشتیبانی می کند. این بدان معنی است که یک دستگاه میدانی می تواند تمام متغیرهای اندازه گیری شده شناسایی شده را از طریق یک کابل منتقل کند.

تفاوت‌های سیم‌کشی شیر کنترل بین آنالوگ و سیستم های ارتباطی فیلدباس به شرح زیر هستند:

در سیستم انتقال آنالوگ معمولی، یک شیر کنترل فقط سیگنال خروجی کنترل را به پوزیشنر ارسال می‌کند.

در سیستم ارتباطی فیلدباس، اطلاعات متعددی مانند سیگنال‌های کنترل، سیگنال‌های حد و سیگنال‌های موقعیت سوپاپ قابل شناسایی و ارسال هستند.

اطلاعات بیشتر همچنین می‌تواند برای گسترش قابلیت‌های کنترل و اندازه‌گیری استفاده شود.

مزایای Foundation Fieldbus

• کاهش تعداد سیم‌ها و پانل‌های مارشال، موانع ایمنی ذاتی، کارت‌های ورودی/خروجی، منابع تغذیه،
• کاهش اندازه اتاق‌های تجهیزات،
• پیکربندی از راه دور و تشخیصی دستگاه‌ها،
• اطلاعات بیشتر برای عملیات و نگهداری در دسترس است،
• افزایش دقت اندازه گیری،
• افزایش زمان آماده‌سازی و کاهش زمان راه‌اندازی،
• تشخیص خودکار و تشخیص از راه دور بهتر است.

محدودیت های فیلدباس پایه

Foundation Fieldbus برای برنامه‌هایی که به پاسخ سیستم کنترل بسیار سریع (۲۰۰ میلی‌ثانیه یا کمتر) نیاز دارند، مانند کنترل ضد موج یا برای برنامه هایی که به پهنای باند سیگنال بالایی نیاز دارند، مانند سیستم های نظارت بر وضعیت ماشین.

معماری فیلدباس بنیاد

H1 اصطلاحی است که برای توصیف شبکه فیلدباس FOUNDATION که با سرعت ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه کار می کند استفاده می شود.

یک بخش بخشی از فیلدباس H1 FOUNDATION است که در امپدانس مشخصه آن خاتمه یافته است. بخش ها را می توان توسط Repeater به هم پیوند داد تا یک فیلدباس H1 طولانی تر تشکیل دهد. هر بخش می‌تواند شامل حداکثر ۳۲ دستگاه H1 باشد.

اصطلاح “بخش” برای نشان دادن کابل و دستگاه های نصب شده بین یک جفت پایانه استفاده می شود. مشخصات FOUNDATION fieldbus از عبارت “شبکه” برای توصیف سیستم دستگاه ها استفاده می کند. . استفاده از این دو اصطلاح به جای یکدیگر تبدیل به یک روش صنعتی شده است.

یک قطعه فیلدباس با حالت ولتاژ ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه با بارگذاری کامل (حداکثر تعداد دستگاه‌های متصل) باید دارای طول کل کابل بین هر دو دستگاه تا ۱۹۰۰ متر باشد.

حداکثر تعداد دستگاه‌ها در هر بخش (از جمله دستگاه‌های آینده) نباید بیشتر از ۱۲ دستگاه باشد. حداقل ظرفیت اضافی باید ۲۰% تعریف شود.

بنابراین، اگر حداکثر تعداد دستگاه‌های میدانی در هر بخش برای یک پروژه، ۱۲ دستگاه باشد، با در نظر گرفتن ظرفیت اضافی برای توسعه آینده، حداکثر تعداد دستگاه‌هایی که در یک بخش نصب می‌شوند باید ۱۰ دستگاه در شروع پروژه باشد.

این همچنین از اضافه کردن یک حلقه کنترل در آینده (مثلاً یک فرستنده و یک عنصر نهایی) مراقبت می کند. بنابراین، هر بخش باید برای حداقل دو دستگاه آینده طراحی شود.

به ازای ۲۰ درصد ظرفیت فعلی اضافی باید برای توسعه آینده در نظر گرفته شود.

اکثر دستگاه‌های فیلدباس بنیادی را می‌توان مستقیماً از فیلدباس تغذیه کرد. ولتاژ منبع تغذیه DC می تواند ۹ -۳۲ Vdc باشد.

دستگاه فرستنده ± ۱۰ میلی آمپر را با سرعت ۳۱٫۲۵ کیلوبیت بر ثانیه به یک بار معادل ۵۰ اهم برای ایجاد یک ولتاژ پیک به پیک ۱٫۰ ولتی که در بالای ولتاژ تغذیه جریان مستقیم (DC) مدوله شده است، تحویل می دهد.

توپولوژی ها

چندین توپولوژی پایه فیلدباس وجود دارد.

توپولوژی درختی در نمودار زیر به تفصیل آمده است:

Fieldbus Foundation باید با استفاده از کابل‌های ۵ جفتی تنه از کابینت‌های مارشالینگ تا جعبه‌های اتصال میانی واقع در مناطق مختلف کارخانه اجرا شود.

این روش با صرفه جویی در هزینه، تعداد کابل های فیلد باس پایه را که وارد ساختمان پنل می شوند کاهش می دهد. همه کابل های ترانک چند جفتی باید فقط حاوی سیگنال های فیلد باس پایه باشند.

معمولاً هر بخش از جعبه اتصال میانی باید از کابل چند جفتی برای تنه (H1) به جعبه‌های اتصال فیلدباس بنیادی استفاده کند.

کابل چند جفتی بین FF J-Box Intermediate و کابینت های مارشال اجرا می شود. کابل تک جفتی بین FF J-Box متوسط ​​و FF Spur J-Box

جعبه‌های اتصال پایه فیلدباس اسپور از یک طرح تقسیم‌شده با صندوق عقب (غیر IS) در یک طرف و در طرف دیگر موانع FF و حفاظت از نوسانات و/یا پایانه‌های مرتبط (IS) برای مناطق خطرناک هستند.

برای ناحیه غیر خطرناک، موانع FF و پیکربندی JB بالاتر مورد نیاز نیست. برای منطقه غیر خطرناک، یک هاب سیم‌کشی مانند Mega Block باید استفاده شود. بسته به اینکه منطقه غیر IS باشد، جعبه اتصال مگابلاک به جای جعبه اتصال Spur (مورد استفاده در منطقه IS) استفاده می‌شود.

همه کابلهای H1 Spur باید “نوع A” باشند، همانطور که در IEC-61158-2 مشخص شده است، یعنی یک جفت پیچ خورده با یک محافظ کلی. همچنین مطابق با FF-844 (مشخصات تست کابل H1) است.

همه کابل‌های H1 Trunk باید چند جفت تابیده، با سپرهای مجزا و کلی باشند. همه کابل‌های H1 Trunk باید پارامترهای الکتریکی کابل‌های «نوع A» مشخص‌شده در IEC-61158-2 را داشته باشند.

حداکثر طول کل کابل مجاز (تنه به علاوه تمام خارها) یک بخش فیلدباس پایه نباید از ۱۹۰۰ متر تجاوز کند.

بیشترین طول مجاز تنه طبق قوانین FF 1200 متر است.

حداکثر طول خار مجاز با توجه به طراحی سد مزرعه ۱۲۰ متر است.

تمام کابل H1 Spur باید ۱ میلی‌متر مربع IS باشد. کابل تک جفت به ابزارهای میدانی. دو جفت JB 1 میلی‌متر مربع IS به مولتی پلکسر دما (زیرا شامل دو دستگاه mux می‌شود) کابل H1 Trunk به طور پیش‌فرض باید ۱٫۵ میلی‌متر مربع غیرIS برای طول صندوق عقب تا ۱۰۰۰ متر باشد.

درصورتی‌که پروژه‌هایی که تعداد زیادی عناصر دما در نظر گرفته نمی‌شوند، می‌توانند مالتی پلکسر منفرد را انتخاب کنند، در این صورت یک جفت IS 1mm2 کافی است.

طرح ارتینگ

سیستم فیلدباس به شدت مستعد نویز الکتریکی است که ممکن است توسط القای الکترومغناطیسی/الکتراستاتیک، از امواج رادیویی و/یا اختلاف پتانسیل زمین و غیره ایجاد شود.

سیگنال مناسب روش های طراحی و ساخت زمین باید به منظور جلوگیری از نفوذ هر گونه صدای الکتریکی ارائه شود. این به حفظ کیفیت سیگنال ارتباطی فیلدباس مورد نیاز در بخش H1 کمک می کند.

همه هسته‌های سیگنال فیلدباس به‌طور متفاوتی در سراسر شبکه حفظ می‌شوند، زیرا اتصال به زمین هر یک از هادی‌ها باعث می‌شود که همه دستگاه‌های فیلدباس در آن بخش H1 ارتباطات را برای مدت زمانی که هادی به زمین متصل است، از دست بدهند.

سپرهای ابزار کابل تنه چند جفتی در انتهای DCS بخش H1 در کابینت مارشالینگ خاتمه یافته و به زمین متصل می شوند و در هیچ مکان دیگری به زمین متصل نمی شوند.

سپر ابزار کابل‌های تنه تک جفت به محافظ ابزار کابل تنه چند جفتی در جعبه اتصال فیلدباس پایه میانی متصل می‌شود.

قطعات کابل Spur به محافظ کابل تنه در بلوک سیم‌کشی داخل FF Spur JB متصل می‌شوند و در دستگاه Fieldbus بدون اتصال رها می‌شوند. سپر باید با انقباض حرارتی/آستین پوشانده شود تا از هرگونه امکان اتصال به زمین ناخواسته جلوگیری شود.

در بالا گرما روی غلاف داخلی کابل Multipair جمع می شود. هیچ گونه اتصالی بین سپرهای کابل تنه یا اسپار و جعبه اتصال فیلدباس برقرار نمی شود. زمین ایمنی (مورد) دستگاه‌های FF، جعبه‌های اتصال FF متوسط ​​و جعبه‌های اتصالی FF Spur در هر جزء ساخته می‌شوند.

سپرهای کابل فیلدباس از بخش های مختلف شبکه نباید متصل شوند. جفت یدکی از جعبه اتصال میانی به کابینت مارشالینگ باید در TBهای یدکی خاتمه یابد و بیشتر به نوار اتوبوس محافظ ابزار پانل متصل شود.

ترمیناتورها باید در هر دو انتهای یک بخش FF ارائه شوند. پایانه ساز میدان باید در جعبه اتصال FF Spur در دورترین انتهای صندوق نصب شود.

هیچ پایان‌دهنده‌ای نباید در دستگاه FF نصب شود. ترمیناتور در سمت DCS باید در FFPS گنجانده شود و با استفاده از یک جامپر یا سوئیچ شیب فعال شود.

همه Trunkها در هر دو انتها، یعنی در محفظه مارشالینگ و جعبه اتصال خار FF، دارای حفاظت از نوسانات خواهند بود. محافظت از نوسانات برای هر ابزار باید در نظر گرفته شود در مناطقی که حساسیت بالایی به صاعقه دارند، این مناطق عبارتند از: مزارع مخازن و غیره و مناطقی که ابزار دقیق به طور قابل توجهی توسط کارخانه فولاد و قفسه های لوله محافظت نمی شود.

این امر از طریق استفاده از محافظ‌های ولتاژ نصب شده روی هر دستگاه میدان حساس محقق می‌شود. محافظ های برق به زمین محافظ محلی متصل می شوند.

همه ابزارهای صحرایی دارای اتصالات الکتریکی یا الکترونیکی باید برای نصب در منطقه خطرناک تعریف شده مناسب باشند. حداقل گواهی تجهیزات باید مطابق با نیاز پروژه باشد. تمام دستگاه های فیلدباس پایه باید دارای گواهینامه FISCO ایمن ذاتی باشند.

روش حفاظت از سیستم اطلاعاتی به کار رفته برای پروژه‌ها، مفهومی «هیبرید» در تنه با قدرت بالا خواهد بود. این روش از مفهوم حفاظت افزایش‌یافته (Ex e) برای تنه فیلدباس استفاده می‌کند و این مزیت را دارد که سطح جریان بالاتری نسبت به ایمنی ذاتی به بخش فیلدباس ارائه می‌کند.

خارش‌های ذاتاً ایمن با استفاده از یک مانع فیلدباس نصب‌شده در میدان برای محدود کردن توان، ولتاژ و جریان موجود در دستگاه میدان تولید می‌شوند. این نوع پیاده‌سازی امکان دسترسی کامل به دستگاه‌های میدانی را هنگامی که در داخل منطقه خطرناک فعال هستند، فراهم می‌کند.

این راه‌حل باید از طریق استفاده از محفظه‌هایی محقق شود که گذرگاهی را فراهم می‌کنند Fieldbus مانع بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی. از طریق استفاده از پایانه‌های ویژه «قطع زنده» که موانع فیلدباس را ایجاد می‌کند، در حالی که در یک منطقه خطرناک قابل تعویض است.

خارش‌ها به‌صورت گالوانیکی از تنه و از یکدیگر جدا شده‌اند، دارای حفاظت اتصال کوتاه خار هستند و نیازی به ارائه زمین محافظ در میدان ندارند.

برای منطقه غیر خطرناک، موانع FF و پیکربندی تقسیم JB مورد نیاز نیست. برای مناطق غیر خطرناک از هاب سیم کشی مانند Mega Block استفاده می شود. مرکز سیم‌کشی باید جداسازی دستگاه جداگانه (Spur) را ارائه دهد و خطا در یک دستگاه نباید بر بخش تأثیر بگذارد.

نویسنده: Prateek Raj

بعدی را بخوانید:

• کابل‌های فیلدباس
• جعبه اتصال ۴-۲۰ میلی آمپر در مقابل جعبه اتصال فیلدباس (FF)
• پارامترهای الکتریکی فیلدباس پایه
• طراحی بخش فیلدباس پایه
• سوالات مصاحبه در مورد ارتباطات فیلدباس

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.