Termini Fieldbus i Remote I/O, kao i sa njima povezani: ušteda u novcu, jednostavnost i dostupnost informacija su u žiži interesovanja kada se raspravlja o inovacijama na polju procesne automatizacije.  Karakteristike ovih koncepata povezivanja i komunikacija su potpuno razjašnjene i postoji opšte prihvaćeno gledište. Konkretna rešenja su pak uslovljena oblašću primene i uvek se izrađuju u kontekstu svih trenutno dostupnih tehnologija. Naredni inovativni koraci u ovim oblastima rezultat su razvoja mašinskog i elektro inženjeringa  i modernih informacionih tehnologija.

Fieldbus

U diskusiji o karakteristikama i koristi od fieldbus tehnologije za procesnu automatizaciju, postaje jasno, možda i iznenađujuće, da se pored svih pozitivnih inskustava sa ovom novom tehnologijom, postojeće alternative ”4-20mA” i “Remote I/O” i dalje koriste. Ova činjenica nije u kontradikciji sa očekivanjem da će u budućnosti fieldbus biti dominantna tehnologija u većini pogona. Moramo imati na umu da u ovom trenutku konvencionalna 4-20 mA tehnologija predstavlja realnu alternativu u mnogim aplikacijama i da će tako biti i u budućnosti, posebno kada se uzme u obzir široka rasprostranjenost ove tehnologije, dug radni vek pogona ali i uporedno razvijanje kroz RIO i HART.
Automatizacija pogona i primenjena komunikaciona tehnologija je segmentirana na “point-to-point” (4-20 mA sa HART), “point-to-bus” (RIO sa HART) i “bus-to-bus” (fieldbus). Ovakvo stanje omogućava korisniku da izabere tehnologiju u skladu sa specifičnim zadatkom i raspoloživim budžetom. Takođe, prilikom izbora korisnik može da realizuje prelaz sa jedne na drugu tehnologiju bez diskontinuiteta u radu sistema. U isto vreme, ovakva segmentacija prisiljava proizvođače interfejs tehnologija da razvijaju i pruže podršku većem broju linija proizvoda.
Ovaj tekst obrađuje temu povezivanja uređaja u polju i hosta (master sistema ili upravljačkog sistema), jer je ta veza krucijalna u fieldbus rešenju. Tehnologija povezivanja se može funkcionalno podeliti u segmente: povezivanje i napajanje segmenta, distribucija u polju/terminacija bus-a i integracija konvencionalnih signala. Dalje razmatranje je bazirano na FieldConnexTM sistemu (proizvođača Pepperl+Fuchs) koji pruža niz različitih komponenti za PROFIBUS PA i FOUNDATION Fieldbus H1 sa ciljem dizajniranja najoptimalnije topologije.

Povezivanje i napajanje segmenta

U proizvodnim pogonima realnost je da je područje sa potencijalno eksplozivnom atmosferom u blizini bezbednog prostora, kao što je kontrolna soba. Pri izvođenju Fieldbus instalacije, ovo se mora imati u vidu, pa je i došlo dorazvoja dve odvojene fieldbus topologije, one namenjene za izvođenje unutar bezbednih i one za izvođenje unutar potencijalno ne bezbednih segmenata.

Segment coupler

Kod PROFIBUS-a, segmentn coupler formira interfejs između PROFIBUS DP mreže i PROFIBUS PA segmenta. Kod FieldConnexTM-a ovaj uređaj je implementiran u modularni segmentn coupler SK2. Segmentn coupler SK2 konvertuje digitalne poruke bez uticaja na fieldbus komunikaciju, podešava baud rate, daje napajanje za PROFIBUS PA segmente i omogućava da se do 20 PROFIBUS PA segmenta poveže na jedan PROFIBUS DP krak.

  • Segmentn coupler povezuje MBP transmisionu tehnologiju u polju (Mančester kod, Bus napajanje u skladu sa IEC 61158-2, brzina prenosa 31,25 kbit/s) koju koristi PROFIBUS PA sa fizičkim RS 485 kod PROFIBUS DP-a sa brzinom prenosa od 12Mbit/s u SK2 Gateway modulu. Segment coupler je transparentan za podatke te se ne mora konfigurisati u master sistem. Postojeći master direktno adresira svaki od slave-ova kroz segment coupler i kompletnih 244 bajtova I/O podatka je bez restrikcije upotrebljivo za svaki od slaveova.
  • Segmentni kapler obezbeđuje napajanje za sve slave-ove u polju korišćenjem SK2 Power Link modula. Ovaj modul se može pronaći sa ugrađenim zaštitama za rad u eksplozivnim sredinama, ali i bez zaštita za područja gde nema opasnosti od eksplozije. Kod instalacije u bezbednoj zoni kao i kod upotrebe field barijera, mogu se izvestiveoma složene topologije pogona u polju, kombinacijom do 20 PowerLink modula. Ovde se jedan modul uparuje sa jednim PROFIBUS PA segmentom i isporučuje mu max. napajanje od 400mA. U tom slučaju svi moduli se centralno napajaju preko Power Rail-a.

Fieldbus napajanje, kondicioner napajanja i hub

Fieldbus napajanje, kondicioner i hub isporučuju napajanje uređajima u polju preko FOUNDATION Fieldbud H1 mreže. Napajanje se isporučuje kroz dvožilni fieldbus kabal bez uticaja na komunikacione signale.

Kondicioneri obezbeđuju struju napajanja do 1A kroz dvožilni fieldbus kabal pri čemu omogućavaju redundantno napajanje iz dva nezavisna izvora napajanja.

Hubovi omogućavaju izvođenje veoma fleksibilnog koncepta napajanja se redun-dantnim napojnim segmentima i potpunu električnu izolaciju. Kondicioneri i hubovi podržavaju alarme i indikatore kvara napajanja, podnapona, kratkog spoja i preopterećenja. CREST (Crosstalk ResonanceSupression Technology) sprečava pojavu rezonance i preslušavanja između fieldbus napajanja i internog napajanja uređaja.

Ripiter

Ripiter napaja naponskim kablom uređaje u polju u PROFIBUS PA ili FOUNDATION Fieldbus H1 mreži i poboljšava signal digitalne komunikacije u sistemu, što je posebno bitno u fizički velikim sistemima. Nezavisno od opterećenja i ulaznog napona, ripiteri napajanja obezbeđuju konstantan napon napajanja svim uređajima u polju. Sa strane polja ripiter ima fiksan integrisan terminalni otpornik, sa strane hosta terminalni otpornik se može ugraditi gde je to potrebno. Najbitnija primena ripitera napajanja je u slučajevima proširivanja mreže.

Distribucija u polju i terminacija bus-a

Fieldbus trunk se u praksi ne umeću direktno u fieldbus uređaj, kako se to zbog jednostavnosti često prikazuje na crtežu, već se po principu T-distribucije razvode do uređaja u polju. Na ovaj način se postiže jednostavnije izolovanje pojedinih uređaja u polju. Fieldbus topologija postavljena na ovaj način mora zadovoljiti mnogobrojne zahteve u pogonu, a pri tome zadržati jednostavnu strukturu i očuvati bezbednost u radu u svim uslovima, ali i omogućiti lako proširivanje postojećih segmenata kao i integraciju konvencionalnih signala. FieldConnexTM nudi veliki broj distributora u polju namenjenih različitim zadacima. Distributori u polju omogućavaju fleksibilno planiranje topologije koja potpuno zadovoljava sve zahteve pogona.

Razvodna kutija

Razvodna kutija omogućava distribuciju fieldbus ožičenja na osam krakova kojima je moguće povezati uređaje u polju sa fieldbus segmentom. Ovaj uređaj ima jedan ulaz za fieldbus vod i jedan izlaz, te omogućava formiranje petlje. Čitav niz različitih konektora kojima se mogu opremiti razvodne kutije omogućavaju povezivanje sa najrazličitijim tipovima ulaza i izlaza. Fieldbus otpornik za terminaciju je integrisan i može se uključiti po potrebi.  Visok nivo fleksibilnosti je takođe obezbeđen različitim metodama oklopljavanja i zaštite od eksplozija i različitim brojem izlaza.

Segmentni protektor

Segmentni protektor je razvodna kutija sa dodatnom zaštitnom funkcijom. Ona delifieldbus vod u nekoliko krakova za povezivanje uređaja u polju sa fieldbus segmentom. U svakom kraku se individualno prati da li je došlo do preopterećenja ili kratkog spoja, tako da ti problemi u jednom kraku ne utiču na komunikaciju u ostatku fieldbus segmenta. Svaki izlaz je dizajniran za povezivanje sa uređajem u polju. Fieldbus vod može praviti petlju, a integrisani terminalni otpornik se može po potrebi uključiti.

Field barijere

Načelno je potrebno prikupiti signale u pogonu što bliže senzorima i aktuatorima. Kako su oni najčešće postavljeni u Ex zoni 0 ili 1 zahteva se sigurnosni rad (intrinsicaly safe), za ovu namenu razvijena je field barijere tehnologija. Ulaz u field barijere je vod sa relativno visokom snagom izrađen u Ex e izvedbi. Sa PROFIBUS-om je moguće postići i do 400 mA, a sa FOUNDATION Fieldbus-om čak do 1A. Izlazi su realizovani u Ex i izvođenju sa po 40 mA na svakom posebno. Zbog lakog i preglednog struktuiranja i pouzdanosti, samo se jedan uređaj u polju može povezati na jedan izlaz. Ovakvim povezivanjem je osigurano da neće doći do problema u radu okolnih uređaja u slučaju greške na osnovnom uređaju ili što je još gore da dođe do zaustavljanja rada cele mreže. 40 mA koliko je moguće isporučiti na izlazima je sasvim dovoljno za pokretanje i velikih opterećenja kao što su ventili.

Ostale karakteristike field barijere-a su:

  • Individualni izlazi na Field barijere su dizajnirani tako da međusobno nisu zavisni pa greška na jednom izlazu se neće preslikavati na drugom, čak i kada je u pitanju kratak spoj.
  • Field barijere električno izoluju izlaze od bus magistrale, te stoga nije potrebno izvoditi dugotrajno i bezbedno ekvipotencijalno uzemljenje van eksplozivne zone kroz pogon. Na ovaj način postižu se uštede posebno na duge staze s obzirom da je ekvipotencijalno povezivanje osetljivo na starenje i zahteva stalne provere funkcionalnosti. Field ConnexTM omogućava da se na jednom kraju fieldbus kabla poveže uzemljenje, a na drugom kapacitivno uzemljenje. Iz tog razloga nije potrebno razvlačiti ekvipotencijlano uzemljenje i u bezbednoj i u zoni sa potencijalno eksplozivnom atmosferom.
  • Tehnologija koja se koristi u FieldBarriers omogućava povezivanje izlaza kablom dužine do 120 m bez upotrebe fieldbus terminalnog otpornika.
  • Prilikom produžavanje Ex e voda, zbog velike snage koju obezbeđuje Power Link, potrebno je povezati nekoliko field barijera u seriju. Broj field barijera je ograničen s jedne strane ukupnom strujom koja teče kroz vod, a sa druge strane maksimalnim brojem od 32 uređaja koja se mogu povezati na bus segment.

Povezivanje konvencionalnog signala

Čak i u najmodernijim pogonima uvek postoje konvencionalni signali koji se moraju integrisati u fieldbus komunikaciju. Fieldbus process interface se koristi upravo u tu svrhu. Postoji niz uređaja koji služe za povezivanje čitavog niza različitih senzora ili mehaničkih kontakata bez fieldbus podrške.

Interfejs za senzore i kapler za ventile

Interfejs za senzore omogućava povezivanje do 12 binarnih senzora ili mehaničkih kontakata na jednu fieldbus adresu.

Kapler za ventile je dizajniran da poveže četiri low power ventila na jednu fieldbus adresu. Ovaj uređaj konvertuje fieldbus signal u binarni signal kojim je moguće upravljati ventilom i integriše u sebi osam signala povratne sprege sa senzora položaja na ventilu.

Temperaturni multi ulaz

Temperaturni multi ulaz omogućava povezivanje do osam rezistivnih temperaturnih senzora, termoparova, rezistivnih ili milivoltnih signala na FOUNDATION Fieldbus. Ovaj modul omogućava podešavanje sistema za relevantno merenje temperature. Dijagnostika senzora je podržana u ovom uređaju.

Pneumatski interfejs i MiniRIO

Pneumatski interfejs kombinuje kaplere za ventile i ventile u jednu funkcionalnu jedinicu u jednom kućištu sa izvedenim ožičenjem za fieldbus i kompresovani vazduh. Za izuzetno zahtevne instalacije moguće je dodati i field barijeru u kućište, čime je omogućeno kontrolisanje velikog broja pneumatskih ventila korišćenjem jednog fieldbus kabla.

MiniRIO kombinuje veliki broj konvencionalnih signala, kao što su binarni i analogni ulazi i izlazi, kao i temperaturnih i frekventnih ulaza na jednu fieldbus adresu. Sve osobine RIO tehnologije se ovde mogu iskoristitii to u sprezi sa HART komunikacijom.  HART omogućava ekonomično i jednostavno povezivanje mernih tačaka sa fieldbusom korišćenjem RIO-a. Napajanje i ožičenje kombinovani su u jednom kućištu, koje se može instalirati u polju u zoni 1.

FNICO, FISCO i Entity

Uslovi okoline igraju krucijalnu ulogu prilikom dizajna topologije u polju. Ovi uslovi se menjaju od zone 2/class I, div. 2 do zone 1/class I, div. 1. FieldConnex TM se izrađuje u različitim verzijama u zavisnosti od namene:
verzija za aplikacije van opasne zone
verzija u skladu sa FNICO (Fieldbus Non-Incendive Concept) za instalacije u zoni 2/class I, div. 2; metod zaštite od eksplozije “n”
verzija u skladu sa FNICO (Fieldbus Non-Incendive Concept) za instalacije u zoni 1/class I, div. 1; metod zaštite od eksplozije “I”
Verzija u skladu sa Entity za instalacije u zoni 1/class I, div. 1

Pneumatski interfejs i MiniRIO

Pneumatski interfejs kombinuje kaplere za ventile i ventile u jednu funkcionalnu jedinicu u jednom kućištu sa izvedenim ožičenjem za fieldbus i kompresovani vazduh. Za izuzetno zahtevne instalacije moguće je dodati i field barijeru u kućište, čime je omogućeno kontrolisanje velikog broja pneumatskih ventila korišćenjem jednog fieldbus kabla.

MiniRIO kombinuje veliki broj konvencionalnih signala, kao što su binarni i analogni ulazi i izlazi, kao i temperaturnih i frekventnih ulaza na jednu fieldbus adresu. Sve osobine RIO tehnologije se ovde mogu iskoristitii to u sprezi sa HART komunikacijom.  HART omogućava ekonomično i jednostavno povezivanje mernih tačaka sa fieldbusom korišćenjem RIO-a. Napajanje i ožičenje kombinovani su u jednom kućištu, koje se može instalirati u polju u zoni 1.

FNICO, FISCO i Entity

Uslovi okoline igraju krucijalnu ulogu prilikom dizajna topologije u polju. Ovi uslovi se menjaju od zone 2/class I, div. 2 do zone 1/class I, div. 1. FieldConnex TM se izrađuje u različitim verzijama u zavisnosti od namene:
verzija za aplikacije van opasne zone
verzija u skladu sa FNICO (Fieldbus Non-Incendive Concept) za instalacije u zoni 2/class I, div. 2; metod zaštite od eksplozije “n”
verzija u skladu sa FNICO (Fieldbus Non-Incendive Concept) za instalacije u zoni 1/class I, div. 1; metod zaštite od eksplozije “I”
Verzija u skladu sa Entity za instalacije u zoni 1/class I, div. 1

Zaključak

Povezivanje eksternih uređaja na fieldbus mora biti jednostavno i moćno kao i što je lako i povezivanje fieldbus uređaja na fieldbus host. Kvalitetno napajanje, distribucij u polju u skladu sa topologijom i efikasni  bezbedonosni mehanizmi su neophodni da bi se iz fieldbus sistema izvukla maksimalna dobit za automatizaciju pogona. Različiti proizvođači nude uređaje i kompletne linije proizvoda i na taj način čine fieldbus tehnologiju dostupnom širokom krugu korisnika.

Povezivanje eksternih uređaja na fieldbus mora biti jednostavno i moćno kao i što je lako i povezivanje fieldbus uređaja na fieldbus host. Kvalitetno napajanje, distribucij u polju u skladu sa topologijom i efikasni  bezbedonosni mehanizmi su neophodni da bi se iz fieldbus sistema izvukla maksimalna dobit za automatizaciju pogona. Različiti proizvođači nude uređaje i kompletne linije proizvoda i na taj način čine fieldbus tehnologiju dostupnom širokom krugu korisnika.

Tekst:
Autori: Gerhard Jung, Marketing Manager Pepperl+Fuchs GmbH Process Automation Division
Thomas Westers, Marketing Manager Pepperl+Fuchs GmbH Process Automation Division


Više informacija:
Momentum d.o.o.
, Fruškogorska 55, 22000 Sremska Mitrovica, Serbia, Tel./Fax.: +381 22 625 010, Mob: +381 62 252 818, +381 65 2622 066, Email: momentum@eunet.rs,WEB: http://www.momentum-automation.com

Aleksandar D.
Follow me
Latest posts by Aleksandar D. (see all)