Dalla pneumatica al Bus da campo

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1 Aree classificate possibili soluzioni Dalla pneumatica al Bus da campo Relatore: Roberto Ramorino

2 La pneumatica La pneumatica con lo standard 3-15 PSI VANTAGGI Idonea anche per zone con pericoli di esplosione (zona 0) E' consentita la manutenzione delle apparecchiature on-line. Grande energia trasportabile in zone con pericoli d esplosione (Valvole pneumatiche). SVANTAGGI Consumo continuo di energia pneumatica cara Poca intelligenza per regolazioni complessi Adopera grande spazio nelle sale di controllo Richiede manutenzione continua ed impegnativa

3 L elettronica L elettronica con lo standard 4-20 ma VANTAGGI Consumi energetiche minori contro la pneumatica Più intelligente rispetto la pneumatica Richiede spazio ridotto Manutenzione ridotta rispetto la pneumatica Costi ridotti SVANTAGGI Di base non idonea per zone con pericoli d esplosione Sensibile a disturbi di tipo EMC Richiede una nuova generazione di manutentori di tipo elettrici/elettronici

4 L elettronica Sicurezza a prova d esplosione EEx d IEC - EN (EN 50018) VANTAGGI Idonea anche per le zone con pericoli d esplosione Anche grande energia è trasportabile in zone con pericoli d esplosione SVANTAGGI Protezione a contenimento dell esplosione Non permette la manutenzione sotto tensione Non idoneo per la zona 0 Installazione costosa

5 L elettronica Sicurezza Intrinseca EEx ia per Zona 0 - EEx ib / ia per Zona 1 IEC - EN (EN 50020) VANTAGGI Idonea anche per la ZONA 0 E' consentita la manutenzione delle apparecchiature in presenza di tensione in tutta sicurezza, anche per il personale operante. Tecnica accettata pressoché ovunque a livello internazionale. Non è richiesto l utilizzo di cavi speciali per l interconnessione delle apparecchiature. SVANTAGGI Bassa disponibilità di energia per le apparecchiature in campo. Apparecchiature che necessitano di elevata energia di funzionamento bisogna alimentare separatamente.

6 Metodi di protezione EEx n Protezione Non Incendiva (Limitazione di Energia e Non Scintillamento ) EEx nl per Zona 2 IEC EN (EN 50021) VANTAGGI Consente di manutenzionare sotto tensione le apparecchiature Un apparecchiatura qualitativamente ben costruita secondo la norma, può essere utilizzata nella suddetta area classificata senza essere sottoposta a certificazione dai laboratori preposti (Requisiti da autocertificazione) Per la Zona 2 risulta il più economico metodo di protezione. Non è richiesto l utilizzo di cavi speciali per l interconnessione delle apparecchiature. SVANTAGGI Bassa disponibilità di energia per le apparecchiature in campo. Apparecchiature che necessitano di elevata energia di funzionamento bisogna alimentare separatamente. Difficoltà nel produrre documentazione in quanto trattasi di autocertificazione.

7 3-15 PSI - Un progetto semplice Regolatore da campo Alimentazione aria strumenti Zone 0/ PSI 3-15 PSI Trasmettitore

8 4-20 ma - Un progetto semplice Alimentazione elettrica Zona 2 Tecnica a 2 fili, 4-20 ma EEx- i Regolatore Tecnica a 2 fili, 4-20 ma EEx- i Zone 0/1 Alimentazione aria strumenti

9 Il protocollo HART/SMART La nascita di strumentazione da campo intelligente con microprocessori a bordo, richiede la parametrizzazione anche da remoto VANTAGGI Trasferimento di più che solamente 1 valore Parametrizzazione anche da remoto Parametrizzazione centralizzata Nessun cambiamento nella struttura Hardware SVANTAGGI Comunicazione lenta, nata per la manutenzione Barriere a sicurezza intrinseca devono essere trasparente alla comunicazione Nessun risparmio economico

10 4-20 ma HART- Un progetto semplice Regolatore Alimentazione elettrica Zona 2 Tecnica a 2 fili, 4-20 ma EEx- i Tecnica a 2 fili, 4-20 ma EEx- i Zone 0/1 Alimentazione aria strumenti RS-485 HART- Multiplexer

11 La prima comunicazione digitale HART Paralleli, tecnica a 2 fili, EEx- i Strumenti senza modulazione di corrente, fissi a 4 ma Barriera EEx-i, 4-20 ma trasparente HART da 1 a massimo Zone 0/1 5 strumenti Indicatore con comunicazione HART

12 E nato il Bus da campo (Profibus--PA / Foundation F. H1) (Profibus POWER REPEATER 70mA, 10,6 Vcc (ENTITY) 100 ma, 13 Vcc (FISCO) Terminatore H1 H1 in esecuzione EEx-i 31.25Kbit/S Host Segnali e comandi binari EEx-i Zone 0/1 H1 non alimentata Fino a 31 carichi 31.25Kbit/S

13 Il Bus da campo (Profibus-PA PA / Foundation F. H1) Il garante di compatibilità e sviluppo futuro è l organizzazione e la norma internazionale VANTAGGI L interconnettività Velocità adeguata per la comunicazione di processo Integrazione anche di segnali binari Gestione di numeri strumenti elevati SVANTAGGI Energia limitata in zone con pericoli d esplosione in caso di utilizzo di sic. intrinseca Nessuna ridondanza prevista In caso di guasto, perdita più di 1 strumento alla volta

14 Applicazioni in tecnica S.I. I miglioramenti per aumentare il numero di strumenti collegati ad un ramo (Trunk) e per aumentare la disponibilità impianto. ENTITY CONCEPT Simile alla tradizionale tecnica della sicurezza intrinseca, con relativa verifica dei parametri di sicurezza FISCO/FNICO CONCEPT Per semplificare l ingegneria e rendere più sicuro e flessibile è stato introdotto il concetto Fisco per zona 1 e Fnico per la zona 2 IBRIDA La combinazione della sicurezza intrinseca e la sicurezza aumentata, permette di portare più energia in campo.

15 Entity Model Host H1 non alimentata 31.25Kbit/S Power Repeater I.S. Entity 70 ma, 10,6 VDC Nr. 3 strumenti per segmento Zona 1 Segmento a sicurezza intrinseca Power Repeater fornisce l isolamento galvanico e l alimentazione al segmento Bassa energia disponibile sul Bus Basso numero di strumenti collegabili al BUS Lunghezza del cavo limitata Richiesta verifica coordinamento elettrico FT

16 Fisco Model Fieldbus Intrinsically Safe Concept IEC EN TS Fissate alcune condizioni tecniche dei partecipanti all architettura del sistema (power supply, cavo, terminazioni, strumenti) Il sistema risulta automaticamente certificato Intrinsically Safe

17 Fisco Model Parametri e caratteristiche del modello Solamente un unica sorgente attiva (power supply) per ogni segmento di BUS Tutti i nodi del segmento devono essere di tipo passivo Power Supply Caratteristiche di uscita trapezoidali o rettangolari (Vmin = 12.8 V, I=100mA) Vcc = 12,6...17,5 V I CC fino a 110 ma per Vcc = 14 V (Gruppo IIC) Strumentazione Induttanza e capacità trascurabile se Li 10µH / Ci 5nF Fino a 10 strumenti Cavo R : ohm/km L : mh/km C : nf/km Lunghezza del cavo fino a 1000m (Trunk+Spurs). Lunghezza derivazioni fino a 30m (Spur) Terminatori di linea R = Ohm / C = µf

18 Fisco Model Host H1 non alimentata 31.25Kbit/S Power Repeater I.S. FISCO 100 ma, 12,8 VDC Nr.5 strumenti per segmento Zone 1 Segmento a sicurezza intrinseca Power Repeater fornisce l isolamento galvanico e l alimentazione al segmento Non è richiesta la verifica di coordinamento elettrico per ciò che concerne i parametri di induttanza e capacità Maggior numero di strumenti collegabili al BUS Lunghezza del cavo superiore rispetto al modello Entity FT

19 Fnico Model Fieldbus Non Incentive Concept IEC EN Come nel modello FISCO, fissate alcune condizioni tecniche dei partecipanti all architettura del sistema (power supply, cavo, terminazioni, strumenti) Il sistema risulta automaticamente certificato Intrinsically Safe

20 Soluzione Ibrida EEx e + EEx i RAMO PRIMARIO (TRUNK) 32 Vcc, 1 A Zone 0/1 Dual Fault alarm Zona 1 -Linea con tecnologia EEx e, idonea alla Zona 1 tramite normali cavi CEI Alimentazione da Power Supply fino a 1A 32 Vcc -Lunghezza BUS H1 EEx e fino a 1900 m -Terminatore incorporato (selezionabile) -Nr. di strumenti collegabili al BUS fino a 31 in relazione all energia di 1A, resa disponibile dal Power Supply RAMO SECONDARIO (SPUR) -Linea in tecnologia EEx ia IIC idonea alla Zona 0 -Modello FISCO od ENTITY supportato -Massima corrente 40mA per uscita -Protezione dal corto circuito su ogni ramo -Separazione galvanica per garantire la sicurezza del BUS -Rigenerazione segnale -Lunghezza massima 120m, senza terminatore

21 Fnico Model Installazione apparecchiature consentita in ZONA 2 se : - Power Repeater Certificato EEx na + Segment Protector (J-Box) Certificata EEx nal - Field Devices Certificate EEx nl o EEx i Elevato numero di strumenti collegabili al BUS H1 Uscita H1 non alimentata Fino a 31 strumenti 31.25Kbit/s FF IS Power Supply 500 ma, 17 Vcc Nr. 16 strumenti per trunk Fied Device Coupler 4/8 Spur Zone 2

22 Esempio tecnologia ibrida EEx e + EEx i Redundand FF Power Supply, Non IS Alim. ridondante H Kbit/sec non alim. Host 4 uscite ridondanti 29,5 Vcc - 0,5 A FF H1 segment EEx ia Fisco o Entity o misto EEx e Spurs fino a 120 Zone 1 Ex i

23 Soluzione Ibrida EEx e + EEx i VANTAGGI DEL MODELLO IBRIDO (1/2) Alimentazione ridondante del Trunk H1 Su di un Trunk ibrido (EEx e + EEx i) H1 fino a 1A / 32 Vcc è possibile connettere fino a 31 strumenti, idonei per la Zona 0 potendo così sfruttare pienamente le potenzialità d indirizzamento dell' HOST Segmenti di Trunk H1 con cavi più lunghi Flessibilità operativa e manutentiva tipica della sicurezza intrinseca Flessibilità progettuale dovuta alla certificazione in accordo al modello Entity e Fisco/Fnico dei FieldLink

24 Soluzione Ibrida EEx e + EEx i VANTAGGI DEL MODELLO IBRIDO (2/2) Le diramazioni (Spur) dei Trunk H1 in campo non richiedono Junction Box ed elementi terminatori aggiuntivi Protezione contro corto circuiti per ogni strumento Isolamento galvanico verso la rete dorsale (Trunk) Diagnostica base e avanzato dallo singolo strumento e rete Espansione semplice Manutenzione sotto tensione lato Spur Power Hub a bassa dissipazione tramite tecnologia con elementi passivi

25 System Overview 4 Hosts Redundant Power 4 redundant Hosts Redundant Power..o detector efficienza linea (singolo mezzo relè) a efficienza tarabile in percentuale Fault Diagnostic Module Fault Redundant Power Modules (50%+50%carico) 4 Trunks 4 Trunks 8 Spurs

26 Soluzioni miste: G.P., Z.2; Z.1: Exi, Exe Terminator Fieldbus FF H1, not intrinsically safe Ex i FDC Ex n FDC Fieldbus Power Supply FF H1 Ex e FDC Spur Protector Digital I/O Coupler non-ex Ex ic / Ex nl / na Ex i Ex d / m Ex i

27 Power Supply H1 VANTAGGI del sistema Semplice e affidabile Ridondanza con moduli contemporaneamente attivi 50%+50% (MTBF maggiore) Miglioramento del Life cicle Ideale per il High-Power Trunk Relè di perdita efficienza tarabile 0-100% (monitoraggio continuo e poco costoso) Advanced Diagnostic Function (integrato nel FF Power supply) senza aggiunta di ulteriori moduli

28 La diagnostica Hardware H1 VANTAGGI del Advanced Diagnostic Module Monitoraggio continuo ed allarme molto prima del fuoriservizio Messa in marcia veloce Ottimizzazione dei parametri di comunicazione Ricerca guasto veloce tramite l oscilloscopio integrato Comunicazione con Host o PC

29 La diagnostica Hardware H1 CONCLUSIONI Il modulo di diagnostica avanzata può scoprire problemi potenziali, molto prima del fuoriservizio della rete e relativo arresto dell impianto, grazie delle funzionalità derivate dall oscilloscopio integrato.

30 La diagnostica Hardware H1 CONCLUSIONI Avvisa l utilizzatore di un degradamento di qualità del segnale di comunicazione per permettere un intervento di manutenzione predittivo con conseguenza che l impianto non si ferma all improvviso, ma schedato con relativo risparmio di costi di arresto e mancata produzione.

31 Errori tipici Dati di configurazione Dati con parametri Bustiming/-parametri Apparecchiatura diffettosa Terminazione Bus incorretto Posa cavi non idonea Qualità cavi insufficiente Problema di alimentazione Indirizzamento non univoco Cause logiche Visualizzazione ed elaborazione della diagnostica sul Host o su un Tool online, indipendente dal Host Cause fisicalici La diagnostica è indispensabile per la chiarezza e sicurezza funzionale

32 Tool di progettazione reti H1 systems/fieldbus-isbus.htmlisbus.html GRATUITO

33 Il massimo della tecnologia: VANTAGGI RISPETTO A PROFIBUS-PAPA Oltre ad eliminare i segnali analogici 4-20mA, permette: risparmiare in tempi di cablaggio Preparazione documentazione Pur mantenendo l affidabilità come point-to to-point, è possibile: avere algoritmi PID presenti nei singoli strumenti in campo. creare regolazioni in cascata avere dei LAS multipli, in modo di potere garantire la funzione attiva anche con il Host spento.

34 Haz. Area Installazione IS Convenzionale Control room Elemento in Campo Cavi segnali Junction box Multicavi dal Campo Marshalling cabinet Cavi di Sistema Armadio Barriere Cavi di Sistema I/O Cards - di Sistema DCS link DCS Host Installazione Fieldbus Foundation Fieldbus - Supply Trunk: max Terminator m Fieldbus barrier Spurs: max. 120 m 16/32 (IIC) FISCO Field device Fieldbus Foundation

35 .continua FF-HSE (H2) Working Group FF-HSE RIO dedicato allo sviluppo di Comunicazioni e Remotizzazioni Veloci basate su High Speed Ethernet Fieldbus Foundation Definizione prototipi e linee guida (2010?) Fondato a inizio 2007 questo gruppo di studio sviluppa specifiche applicative e linee guida, riguardanti l integrazione della tecnologia Remote I/O nell architettura dei sistemi di automazione Fieldbus Foundation

36 Ethernet FF HSE & Remote I/O the future installation architecture Linking Device Host HSE Controller Switch Ethernet Analog/H1 (Single Cable) Twisted Pair H1 HSE Field Device HSE Gateway (other Bus) Head Stn AI AO DO DI LD/ Bus Node (RIO) HART Profibus Modbus H1 PA ASi Fieldbus Foundation

37 Future: Ethernet + Fieldbus + RIO CPU I/O I/O I/O Bus Backbone FF HSE Zone 1 Ethernet-Remote I/O Fieldbus System solutions H HART H ma ON/OFF FF H1 PA Installation technology

38 Domande Roberto Ramorino Ex Automation Sales R.STAHL s.r.l. socio unico Peschiera Borromeo (MI) Via Grandi 27 Phone: Mobile: Fax: Homepage: or roberto.ramorino@stahl.it