ファウンデーションフィールドバスH1
通信プロトコル
ファウンデーションフィールドバスH1
統治機関フィールドコムグループ
プロトコル情報
ネットワークの種類プロセス制御
物理メディアツイストペア、ファイバー
ネットワークトポロジスター、バス
最大デバイス数32ノード/セグメント
最大距離4 つのリピーターを備えた 9500 メートル (フィールド デバイスに到達するための最小信号強度と電力によって異なります)
デバイスのアドレス指定セグメントに接続すると自動

Foundation Fieldbus H1は、 FOUNDATIONフィールドバスプロトコルのバージョンの1つです。Foundation H1（31.25 kbit/s）は、フィールドデバイス間および制御システムとの通信に使用される双方向通信プロトコルです。複数のノード（デバイス）とコントローラ間の通信には、ツイストペアまたは光ファイバーメディアを使用します。コントローラは、最大32ノードと通信するために1つの通信ポイントのみを必要とします。これは、コントローラシステム上の各通信デバイスに個別の接続ポイントを必要とする標準的な4～20 mA通信方式と比較して、大幅な改善です。

Foundation Fieldbus H1は、本質安全防爆配線をサポートしています。他のプロトコルとは異なり、FOUNDATION H1は制御と通信の明示的な同期を提供し、デッドタイムとジッタを最小限に抑えながら、正確に周期的な（アイソクロナス）通信と制御機能の実行を実現します。フィールドバスデバイス内のクロックを同期させることで、ファンクションブロックのスケジューリングと検知ポイントでのアラームタイムスタンプをサポートします。

当初のコンセプトは、信号強度によってのみ制限される、コントローラ フィールド接続でできるだけ多くのフィールド デバイスを接続するというものでした。

財団HSE

Foundation HSE は、コントローラやリモート I/O、高密度データ ジェネレータなどの上位デバイスを接続し、サブシステムを水平統合するためのプロセス自動化向けに特別に設計された制御ネットワーク テクノロジです。

Foundation HSEは、変更されていないIEEE 802.3 Ethernetをベースとしているため、標準的なEthernet機器と互換性があります。FOUNDATION HSEは、冗長ネットワークスイッチ、冗長デバイス、冗長通信ポートを備えた完全な「DCSスタイル」の冗長性を提供し、卓越した可用性を保証します。また、Foundation HSEは標準IPをベースとしているため、他のデバイスとの共存が可能で、標準ツールとの互換性も確保されています。最上位レベルでは、EthernetとTCP/IPが提供する単なる共存を超えたデバイス間の相互運用性を提供する標準アプリケーション層を備えています。Foundation HSEの通信はスケジュール駆動型で、デッドタイムとジッターを最小限に抑え、デバイス間のピアツーピア通信を直接サポートします。さらに、厳格な相互運用性テストプログラムによって高品質な接続性が保証されています。

イーサネットのハブアンドスポーク型ツリートポロジにより、運用中のネットワークに影響を与えることなく、デバイスの追加や削除が非常に容易になります。Foundation HSEは変更されていないイーサネットをベースとしているため、設置時の適格性評価、テスト、トラブルシューティングに標準的なイーサネットツールを使用できます。これらのツールは、通信の問題解決を迅速化します。Foundation HSEは、RS485や同軸ケーブルでは利用できない、より優れたトラブルシューティングツールによってサポートされています。Foundation HSEはUDPとTCPをベースとしているため、SNMP、RMONなどを採用した標準的なネットワーク管理ツールを使用できます。同様に、DHCPのサポートを含め、使い慣れたIPアドレス指定が採用されています。

パラメータ

通信回線は、中継器なしでは 1900 メートル、最大 4 つの中継器を許容する場合は 9500 メートルまで延長できます。

コミュニケーション方法

サポートされている通信方法は次のとおりです。

  • クライアント/サーバー

クライアント/サーバ仮想通信関係（VCR）[1]タイプは、フィールドバス上のデバイス間の、キューイングされた、スケジュール設定されていない、ユーザー主導の1対1通信に使用されます。キューイングとは、メッセージが送信順に、優先度に従って送受信され、以前のメッセージが上書きされないことを意味します。

  • 発行者/購読者

パブリッシャー/サブスクライバーVCRタイプは、バッファリングされた1対多通信に使用されます。バッファリングとは、ネットワーク内で最新のデータのみが保持されることを意味します。新しいデータは以前のデータを完全に上書きします。

  • レポートの配布

レポート配布 VCR タイプは、キュー、スケジュールなし、ユーザーが開始した、および 1 対多の通信に使用されます。

使用

このプロトコルは主にアナログおよびディスクリートプロセス制御デバイスに使用されます。主な利点は、機能ブロックコンセプトによる構成です。

電源

Foundation Fieldbusの大きな利点は、通信バスを介して制御対象デバイスに電力を供給できることです。これには、Foundation Fieldbus電源が必要です。電源は通常、定格32V DC、電流500mAの冗長型で、制御室のマーシャリングキャビネットまたはシステムキャビネットに設置されることが多いです。

終了

すべてのフィールド バス セグメントが正しく動作するには、ターミネータが 2 つ必要です。ターミネータは、1 μF のコンデンサと 100  Ωの抵抗を直列に接続したものと同等になるよう設計されています。ターミネータには、フィールドバス電流のシャント (デバイス通信) や電気反射の保護など、いくつかの目的があります。ターミネータの主な機能は、制御ネットワークの電流シャントとして機能することです。フィールドバス通信は、フィールド デバイスが電流消費を調整することで機能します。デバイスがデータを送信する必要がある場合、FF デバイスは電流シンクとして機能します。デバイスは、高信号 (1、1) を表すために消費する電流が少なくなり、低信号 (0、0) を表すために消費する電流が多くなります。FF デバイスの変調電流はピークツーピークで 15 mA ～ 20 mA ですが、この変調電流によってバスに生じる変調電圧はピークツーピークで 0.75 V ～ 1 V になります。この0.75Vと1Vは、15mA×50Ω（0.75V）と20mA×50Ω（1V）から算出されたものです。50Ωの抵抗は、FFターミネータの2つの並列抵抗に相当します。すべてのデバイスが同じケーブルを使用しているため、一度にメッセージを送信できるのは1つのデバイスだけです。適切な数のターミネータがないと、信号レベルが仕様外となり、ネットワークに支障をきたす可能性があります。

ターミネータのもう 1 つの機能は、電気反射の影響を軽減することです。

本質安全フィールドバス

市場にはいくつかの本質安全フィールドバス技術が存在します。最も一般的に使用されているものは以下のとおりです。

  • エンティティバリアコンセプト

この設計は、アナログ信号（4～20mA）の分野で実績のある一般的なフィールドバリアの概念を採用しています。これらのバリアは、確実な抵抗器（巻線型）、ツェナーダイオード、ヒューズを使用し、良好な本質安全接地を必要とします。このバリアは、Zone 0/1の全ガスグループ（Class I Div 1の全ガスグループ）に十分なエネルギーを供給できる一方で、フィールドバスセグメントに供給できる電流は80mAしかありません。これは、楽観的に見ても、通常1台あたり15～26mAを消費する4台のフィールドバスデバイスにしか電力を供給できません。エンティティバリアの概念は安全ですが、その低消費電力制限とエンジニアリング要件により、バス技術の利点の多くが実質的に失われてしまいます。

  • フィスコ

フィールドバス本質安全コンセプト（FISCO）は、危険区域のフィールドバスセグメントにより高い電力を供給する方法として、ドイツの物理工学研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt）によって初めて開発されました。 FISCOコンセプトは、フィールドバスセグメントの回路全体を考慮します。 FISCOシステムの最大ケーブル長は、ガスグループAおよびB（IIC）で1km、ガスグループCおよびD（IIAおよびIIB）で1.9kmです。一方、最大許容スパー長（セグメント接続箱/プロテクタからの長さ）は、ガスグループA～D（IIC、IIB、IIA）で60メートルです。 パワーコンディショナーにも追加の制約が課せられ、例えば、FISCO電源では負荷分散冗長パワーコンディショナーは使用できません。

実装前にデバイスを標準規格に適合させることで、エンティティ・アプローチで必要となるエンジニアリング要件なしにシステムに統合できます。これにより、FISCO電源はエンティティ・バリア・ソリューションよりも多くの電力を生成でき（セグメントあたりのデバイス数も増加）、より多くのデバイスを接続できます。このソリューションのボトルネックは、デバイス、ケーブル、パワーコンディショナーなど、システムの各部分がFISCOに準拠している必要があり、FISCOの設計および設置ルールを厳密に遵守する必要があることです。エンティティ・バリア・アプローチよりも多くの電力を供給できますが、トランク電流が115mAに制限されているため、システムはセグメントあたり4～5台のデバイスしかサポートできません。

  • フィールドバリア付きHPT

本質安全アプリケーション向けの最近の拡張機能として、フィールドベース・フィールドバリア（FB）を備えたハイパワートランク（HPT）があります。これは、トランクではなく分岐で電力を制限します。この方式は、危険環境におけるフィールドバスのエンドユーザーにとって、状況を大きく変えるものです。利用可能な電力量が増加し、セグメントに接続できるデバイスの数が増えます。また、エンドユーザーはFISCO/エンティティバリアコンセプトの制約を受けることなく、トランクケーブルの長さを最大限に伸ばすことができます。

HPTモデルは確かに大幅な改善（フィールドバスセグメントで500mA）をもたらしますが、欠点がないわけではありません。フィールドバリアは本質的にはフィールドベースの絶縁型パワーコンディショナーです。そのため、ホスト側の負荷分散型冗長パワーコンディショナーからセグメントに電力を供給できる場合でも、ほとんどのフィールドバリアは冗長化されていないため、実質的なMTBF（平均故障間隔）は単一のパワーコンディショナーのMTBFのままです。

  • 本質安全防爆型高出力トランク/本質安全防爆型高出力トランク (HPIST)

高出力ISトランク（HPIST）技術は、設置の安全性と簡便性を向上させ、あらゆるデバイス（FISCOおよびエンティティ）および危険区域と区画に使用できます。危険区域にあるセグメントに約350mAのIS電力を供給します。

これは、バリアの一部を安全区域（電源ラック）に設置されたアイソレータカードに、もう一方の部分を現場設置型デバイスカプラ／セグメントの各支線に配置する分割アーキテクチャ設計を採用することで実現されています。アイソレータ内のバリアにより、トランクケーブルを介してセグメントから支線／ジャンクションボックスまで350mAの電流を流すことができます。確実な抵抗器を使用しているため、Zone 0/1または2のデバイスを直接接続できます。350mAの供給電流により、本質安全を維持しながら、500m離れた場所にある最大16台のフィールドバスデバイス（各20mA）に電力を供給できます。

発達

このプロトコルはFieldComm Groupによって開発、強化、サポートされています。

参照

参考文献

  1. ^ 「FOUNDATION フィールドバスシステムエンジニアリングガイドライン」（PDF） （（AG-181）改訂3.2.1版）。 2019年2月20日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2025年2月15日閲覧。
  • http://www.fieldbus.org/
  • http://www.pepperl-fuchs.com
  • [1]
  • [2]
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