FOUNDATION FIELDBUS-ПРОТОКОЛ. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ FOUNDATION FIELDBUS -ПРОТОКОЛА

FOUNDATION FIELDBUS PROTOCOL: PRINCIPLES OF FOUNDATION FIELDBUS PROTOCOL DESIGN

Postnikov Artem

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Kalinin Vitalii

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

Ivanova Tatyana

Student, Department of Geology and Oil and Gas business, Sakhalin state University,

Russia, Yuzhno-Sakhalinsk

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена протоколу Foundation Fieldbus и принципам построения сетей полевых устройств с его использованием. Рассматриваются ключевые особенности цифрового обмена данными, децентрализованного управления и расширенного мониторинга процессов. Подробно описаны архитектура сети H1, топологии сегментов, компоненты системы (контроллеры, источники питания, устройства сопряжения, терминаторы, УЗИП и интеллектуальные датчики) и принципы информационного обмена между устройствами.

ABSTRACT

The article is devoted to the Foundation Fieldbus protocol and the principles of building field device networks using it. It examines the key features of digital data exchange, decentralized control, and enhanced process monitoring. The architecture of the H1 network, segment topologies, system components (controllers, power supplies, interface devices, terminators, surge protection devices, and intelligent sensors), and the principles of information exchange between devices are described in detail.

Ключевые слова: Foundation Fieldbus, H1 сеть, цифровой протокол, децентрализованное управление, интеллектуальные полевые устройства, сегмент сети, топология шины, взрывобезопасность, информационный обмен, промышленная автоматизация.

Keywords: Foundation Fieldbus, H1 network, digital protocol, decentralized control, smart field devices, network segment, bus topology, explosion protection, data exchange, industrial automation.

Протокол FOUNDATION Fieldbus – это цифровая двунаправленная полевая шина, которая позволяет устройствам (датчикам, приводам) обмениваться данными с хост-системами в реальном времени по единой витой паре, обеспечивая их питание и передачу информации. Принцип работы основан на распределенной логике, когда устройства сами выполняют функции управления и обработки данных, а также на планировании связей с помощью активного планировщика связей (LAS), который синхронизирует передачу данных.

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.

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.

Рисунок 1. Топология сети

При использовании топологии точка-точка каждое полевое устройство подключается к контроллеру напрямую. При этом каждое подключенное полевое устройство образует собственный сегмент сети. Топология шлейф подразумевает последовательное соединение полевых устройств между собой. Здесь все полевые устройства объединены в один сегмент, что позволяется задействовать меньшие ресурсы. 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.

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.

В сети Foundation Fieldbus ключевую роль выполняет контроллер, который реализует функции Активного Планировщика Связей (LAS), обеспечивая циклический и внеочередной обмен сообщениями между полевыми устройствами, синхронизацию и диагностику сети. Контроллер отвечает за автоматическую адресацию устройств и выполняет роль шлюза для связи с верхним уровнем через Ethernet, предоставляя возможности мониторинга, управления и удаленного конфигурирования. В современных системах функции LAS могут также выполняться шлюзовыми устройствами, что повышает отказоустойчивость сети.

Для корректной работы информационного обмена и питания полевых устройств сеть требует источников питания шины с напряжением 9–32 В. Такие источники поддерживают специальные параметры импеданса, обеспечивая передачу данных по шине, и могут быть резервированы. Современные решения, например FB-PS с технологией автоматической балансировки тока, обеспечивают равномерную нагрузку между источниками питания, что повышает надежность и срок службы системы.

Подключение полевых устройств к магистрали осуществляется через устройства сопряжения, которые защищают сеть от коротких замыканий и перегрузок, а при необходимости обеспечивают гальваническую развязку между неискробезопасными и искробезопасными цепями. Различные типы устройств сопряжения — модули защиты сегмента и полевые барьеры — позволяют подключать устройства в разных зонах взрывоопасности и масштабировать систему, создавая гибкие структуры сети.

Для защиты оборудования от импульсных перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами или наведенными потенциалами в соседних кабельных линиях, применяются устройства защиты (УЗИП), которые обеспечивают безопасное прохождение токов килоамперного уровня и позволяют осуществлять цифровой мониторинг состояния сети.

Терминаторы шины предотвращают отражение сигналов на концах магистрали, устраняя шумы и джиттер, что гарантирует точность передачи данных.

Информационный обмен между сегментами сети возможен через контроллер или сеть предприятия на базе Ethernet с использованием протоколов Foundation Fieldbus HSE или Modbus TCP. Для сетей HSE применяются промышленные коммутаторы с кольцевым резервированием (RSTP, MRP, Extended Ring Redundancy), а интеграция с другими системами реализуется через технологию OPC. Все эти компоненты и меры обеспечивают надежную работу сети, высокую отказоустойчивость и возможность безопасного использования в промышленной автоматизации и взрывоопасных зонах.

Список литературы:

1. Петров, С. В. Цифровые сети полевых устройств: принципы и практика / С. В. Петров // Автоматизация и Техника. – 2021. – № 5. – С. 34-42.
2. Кузнецов, И. Н. Foundation Fieldbus и Profibus PA: сравнение и применение в промышленной автоматизации / И. Н. Кузнецов // Промышленные системы управления. – 2020. – № 6. – С. 50-58.
3. Смирнов, А. Л. Интеллектуальные полевые устройства и децентрализованное управление / А. Л. Смирнов. – Москва: ИнфраПресс, 2019. – 368 с.