Ứng dụng PROFIBUS vào lĩnh vực công nghiệp nguy hại

SIEMENS đóng vai trò chủ động trong tổ chức PROFIBUS và PROFINET quốc tế, cung cấp sản phẩm và giải pháp tùy theo tiêu chuẩn để dễ dàng hòa nhập với các nhà cung cấp khác. Sự phát triển không ngừng của các đặc tính và sản phẩm hiện cung cấp các giải pháp nâng cao cho quá trình công nghệ, đặc biệt liên quan tới hệ thống an toàn tích hợp và sự lắp đặt tại khu vực nguy hiểm.

Từ năm 1989, PROFIBUS đã phát triển sang hệ thống bus trường đứng đầu thế giới được sử dụng trong tự động hóa quy trình nhà máy và sản xuất. Lý do chính làm cho PROFIBUS nối bật trong hệ thống bus trường khác là vì nó cung cấp luồng ứng dụng đặc biệt. Các yêu cầu cho ứng dụng đặc biệt được tích hợp vào hồ sơ ứng dụng, và những ứng dụng này được kết hợp tổng thể để tạo ra hệ thống truyền thông mở và tiêu chuẩn. Việc sử dụng các tiêu chuẩn mở thay cho các giải pháp riêng đảm bảo sự tương thích và mở rộng lâu dài, điều này tạo nên nền tảng cho việc thực thi sự đảm bảo đầu tư toàn diện cho người dùng và nhà sản xuất.

SIEMENS đóng vai trò chủ động trong tổ chức PROFIBUS và PROFINET quốc tế, cung cấp sản phẩm và giải pháp tùy theo tiêu chuẩn để dễ dàng hòa nhập với các nhà cung cấp khác. Sự phát triển không ngừng của các đặc tính và sản phẩm hiện cung cấp các giải pháp nâng cao cho quá trình công nghệ, đặc biệt liên quan tới hệ thống an toàn tích hợp và sự lắp đặt vùng Hazardous.

 

Nền tảng của PROFIBUS

PROFIBUS là 1 phần của chuẩn IEC 61158 và mô tả phương pháp thực hiện Fieldbus. 

Công nghệ này được sử dụng để liên kết các bộ điều khiển với cảm biến và thiết bị vận hành ở cấp trường sử dụng truyền thông số, và cho phép trao đổi dữ liệu đồng thời với mục đích điều khiển cũng như truyền dữ liệu theo yêu cầu chẳng hạn như tham biến và lệnh. Hình 1 cho 1 ví dụ về mạng PROFIBUS cơ bản với bộ điều khiển trung tâm và các thiết bị slave dùng truyền thông RS485.

PROFIBUS cung cấp 2 công nghệ chính, PROFIBUS DP và PROFIBUS PA. Công nghệ truyền thông (giao thức) thì như nhau, chỉ có công nghệ truyền tải khác nhau để đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường tự động hóa. PROFIBUS DP sử dụng RS485 hoặc sợi quang là chủ yếu, ở chỗ PROFIBUS PA đặt nền tảng trên công nghệ MBP. Hình 2 chỉ ra các lớp layer khác nhau và tên thị trường liên quan đến chúng.

Công nghệ truyền dẫn RS485 dễ sử dụng và tối ưu chi phí được sử dụng với các tác vụ yêu cầu tốc độ truyền cao (lên đến 12Mbps), nhưng không yêu cầu sự bảo vệ chống cháy nổ (bản chất đã an toàn). Nói cách khác,(RS485 IS) là có thể sư dụng cho lĩnh vực an toàn thực chất và được mô tả trong phần tiếp theo. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất và cũng là 1 phần trong quy trình công nghiệp. nó sử dụng 1 cáp xoắn bằng đồng được bảo vệ với cặp dây dẫn. Cấu trúc bus cho phép kết hợp không ảnh hưởng ngược và kết hợp lại các trạm và mệnh lệnh gia tăng trong hệ thống. Sự mở rộng phía sau hệ thống không ảnh hưởng các trạm đang hoạt động trong giới hạn được định rõ.
 

Công nghệ truyền dẫn MBP (Manchester Coded, Bus Powered) thực hiện đồng thời việc cấp nguồn đến các thiết bị trường được kết nối và việc truyền thông dữ liệu qua 1 cáp đơn, 1 cách trực tiếp thông qua công cụ bus. Nó cũng cung cấp sự linh hoạt trong công nghệ đi dây, chiều dài của đoạn dài hơn (lên đến 1900m) với 1 tốc độ là 31.25 Kbps. Điều này cho phép nối dây ngang qua để giảm chi phí đáng kể, đáp ứng nhu cầu cho sự lắp đặt đơn giản và an toàn hơn và thuận lợi cho việc truyền dữ liệu xuống thiết bị trường. MBP được khai thác đặc biệt để đáp ứng nhu cầu tự động hóa quá trình và được chuẩn hóa trong IEC 61158-2.

 

PROFIBUS trong lĩnh vực nguy hiểm

Đáp ứng những yêu cầu trong lĩnh vực nguy hiểm, như điện áp thấp và bản chất an toàn, việc sử dụng giao diện RS485 với tốc độ truyền dẫn cao của nó cũng thích hợp cho khu vực Ex. Bus an toàn bên trong này thông dụng vì sử dụng 1 bộ nối RS485 IS. Bộ chuyển đổi cách ly bus trường của SIEMENS cung cấp tính năng này, không yêu cầu lập trình,và có 1 thiết bị repeater để khuếch đại tín hiệu dữ liệu trên đường truyền bus. Thiết bị RS485 IS, như là 1 ET200 isp có thể được kết nối với bus an toàn bên trong và tích hợp trực tiếp trong Ex ib Zone 1. Hình 3 chỉ ra các dạng hình khác nhau trong mạng lưới RS485 IS.
 
Trong phiên bản MBP-IS, công nghệ truyền dẫn này thích hợp với việc sử dụng trong các khu vực nguy hiểm trong tự động hóa quá trình, và vì vậy mà nó được sử dụng rộng khắp trong các ứng dụng của công nghiệp hóa dầu và dầu khí. Sự bảo vệ cháy nổ được thực thi thông qua việc giới hạn điện áp trong việc cung cấp bus thay thế hoặc thường xuyên hơn trong việc cài đặt các linh kiện cấp trường. Làm việc với các thiết bị trường trong suốt quá trình hoạt động có thể được thực hiện, chẳng hạn sự an toàn cháy nổ 1 cách thiết thực. 

Cấu trúc cây và tuyến tính và sự kết hợp cả 2 là có thể. Trong thực tế, "trunk & spur topology" (xem hình 4) tự thiết lập như là chuẩn hệ số lặp, vì nó đặc biệt rõ ràng và well-laid-out.
 
PROFIBUS PA cũng cung cấp dạng hình vòng để dự phòng cho cơ khí hóa không cần thiết trên MBP bus. Sự kết hợp các đầu nối không cần thiết và các thiết bị trường với các nhà phân phối trường chủ động thực hiện vòng không cần thiết và tạo phương tiện không cần thiết mở rộng. Những phần phụ trở nên hiệu quả nhờ có sự ngắn dòng hoặc ngắt dây dẫn 1 cách tự động và hoạt động liền nhau thông qua 1 bộ nối trong 1 cấu trúc dây dẫn (xem hình bên dưới).
 
Hình trên tóm lược các công nghệ truyền dẫn khác nhau và giới hạn của các thiết bị trên các segment. Đối với RS485, 1 sự chú ý đặc biệt nên có cho chiều dài cáp như tỉ số nhận định cho phép. Vui lòng tham khảo chuẩn của PROFIBUS để có thêm thông tin.  

Tính an toàn khi ứng dụng PROFIBUS vào lĩnh vực Ex

 
PROFIsafe thực hiện tính an toàn liên quan với việc truyền tải dữ liệu giữa:
- Tính an toàn-thiết bị được kết hợp đặt trong trường
- Tính an toàn trong các ứng dụng được thực thi trong hệ thống tự động
     
Khi truyền tín hiệu, PROFIsafe phát sinh 4 lỗi, như làm sai lệch địa chỉ, mất, hoặc trì hoãn:
- PROFIsafe được đánh số liền nhau
- Thời gian được kiểm soát (watchdog)
- Tính xác thực được giám sát bằng cách sử dụng mật khẩu 
- CRC (Cyclic Redundancy Check) phát hiện các bit dữ liệu bị sai lệch trong tín hiệu 

PROFIsafe sử dụng các thiết bị truyền thông tiêu chuẩn hiện hành như cáp truyền, gói phần mềm tiêu chuẩn và ASICs.

 

Lợi ích của PROFIsafe

- Linh hoạt hơn: Tự động hóa chuẩn và an toàn có thể được tách thành 2 cáp PROFIBUS khác nhau
- Sự nhân đôi mô đun linh hoạt: Sự linh hoạt tối đa để lựa chọn cấp độ nhân đôi mô đun cho phù hợp với các tính năng an toàn được đo lường.
- Lượng tồn kho giảm nhờ tiết kiệm các thiết bị: Chỉ cần 1 cáp truyền PROFIBUS cho tiêu chuẩn truyền thông.
- Thiết lập và nghiệm thu hệ thống nhanh hơn: Sử dụng cáp PROFIBUS hiện thời cho truyền thông bị nhiễu (fail-safe).