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1 La Facoltà di Ingegneria, Università degli Studi di Bologna DIEM - Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni Meccaniche, Nucleari, Aeronautiche e di Metallurgia Slide 1

2 Qualche domanda a cui dare risposta Perché? Come fare? A chi interessa? Quando conviene? Quali vantaggi? Slide 2

3 Che cos è la comunicazione digitale I bus di campo L evoluzione della comunicazione La tecnica Dalla misura all informazione Le isole funzionali L impianto sotto controllo I vantaggi Riepilogo Slide 3

4 Che cos è un bus di campo Rappresenta la spina dorsale di un sistema di automazione, e consente il dialogo bidirezionale tra apparecchiature in campo ed i sistemi di controllo e supervisione. Il fieldbus è indispensabile per sfruttare le potenzialità dei sensori e attuatori intelligenti (p.e.: strumenti di misura; attuatori per valvole e paratoie; inverter per motori; elettrovalvole) e per consentire la realizzazione di software ad alto livello. E aperto: non è proprietario o meglio è standard. E diffuso: supportato da una grande quantità di costruttori di sistemi e apparecchiature. E interoperabile: garantisce la possibilità di collegarvi apparecchiature di costruttori diversi (anche se concorrenti tra loro). E conosciuto: molti utenti ed integratori lo usano con soddisfazione. Slide 4

5 I bus disponibili sul mercato EN EN IEEE Fast Ethernet EN Slide 5

6 I bus di campo, per strumentazione, più usati Bus di campo aperti DeviceNET ControlNET Modbus Bus di campo standard (EN50170 o IEC 61158) ControlNET Profibus DP/PA/FMS Fieldbus Foundation Slide 6

7 L Evoluzione della comunicazione 4 20 ma ieri & oggi Fieldbus oggi & domani Slide 7

8 L Evoluzione della comunicazione IERI Misura analogica 4 20mA Strumenti tradizionali Unidirezionale Un valore, un cavo OGGI Misura digitale Strumenti intelligenti Bidirezionale Un cavo, tutte le informazioni VANTAGGI Precisione Elevata quantità di informazioni Controllo Slide 8 Risparmio sull installazione

9 La tecnica Configurazioni e tarature direttamente dalla sala controllo. Il sistema di configurazione e manutenzione è sempre in linea, consente il costante monitoraggio delle situazioni anomale senza disturbare il trasferimento dei dati dal campo. Slide 9

10 La tecnica Slide 10 Integrazione diretta Integrazione diretta In Zona Ex con sicurezza intrinseca - max 8 dispositivi per ogni segmento In Zona Ex con sicurezza intrinseca - max 4 dispositivi per ogni segmento Comunicazione ciclica mediante master Comunicazione deterministica strumento strumento e strumento processo

11 La tecnica Qual è quello giusto? La scelta del bus di campo è determinata dall applicazione Analisi dell impianto Scelta del bus Slide 11 Ingegneria

12 Tecnologia per la comunicazione digitale PROFIBUS Controller PROFIBUS-DP RS485 Coupler/ Link Slide 12 FOUNDATION Fieldbus PC PROFIBUS-PA IEC PC Host FF-HSE / ControlNet FF Linkin g Device FF FF-H1 IEC Centralized Master-Slave Structure Decentralized: Link Activ Scheduler (LAS) H2 Level: Profibus DP (9600 kb/s Mb/s) H2 Level: High speed Ethernet (100 Mbit/s) H1 Level: Profibus PA (31.25 Kbit/s) H1 Level: FF (31.25 Kbit/s) E+H supporta entrambi gli standard

13 La famiglia PROFIBUS General Purpose Automation Factory Automation Process Automation PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP Universale Veloce -Grande varietà di applicazioni - Plug and play -Comunicazione Multi-master - Efficiente ed economico Slide 13 PROFIBUS-PA Specifico per il processo - Alimentazione sul bus - Sicurezza Intrinseca Device Profiles Application Profiles EN Volume 2

14 Comunicazione trasparente campo/sistema di controllo Ethernet/TCP/IP Factory level TCP/IP/Ethernet Area Controller Bus Cycle Time < 1000 ms PC VME CNC Cell Level Bus Cycle Time < 100 ms Field Level Bus Cycle Time < 10 ms Slide 14 PROFIBUS-FMS VME PC PLC DCS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA

15 Tecnica di trasmissione - caratteristiche : Alta Velocità (H2), RS 485 Trasmissione Asincrona conforme allo std. RS 485 Baud rate selezionabile da 9,6 Kbit/s fino a 12 MBit/s Cavo schermato e twistato a coppie max 32 dispositivi per segmento, max. 127 dispositivi in rete Lunghezze cavi: 12 MBit/s = 100 m; 1,5 MBit/s = 400m; < 187,5 kbit/s = 1000 m Lunghezza cavi estendibile fino 10 Km con l uso di repeater Connettore standard 9 PIN, D-Sub Bassa Velocità (H1), IEC Slide 15 Trasmissione Sincrona (Manchester coding) a 31,25 kbit/s, impulsi di corrente Sicurezza intrinseca (opzionale) con alimentazione del dispositivo tramite bus Cavo schermato e twistato a coppie Lunghezza bus fino 1900 m per segmento max. 127 dispositivi, per segmento (in funzione della classe di consumo)

16 Profibus: un passo in avanti Slide 16

17 Architettura Profibus DP/PA DP-Master classe 2 DP-Master classe 1 Segment coupler Terminatore PROFIBUS-DP Inverter PROFIBUS-PA Terminatore PROFIBUS-DP Slave Strumenti da campo PROFIBUS-PA Slave Slide 17

18 PROFIBUS modo di accesso al Bus Comunicazione combinata Multi-Master e MasterSlave Stazioni Attive, interrogano i device PLC PC PLC PROFIBUS Dispositivi Passivi, Dispositivi Slave

19 PROFIBUS-DP definisce tre tipi di dispositivi DP-Master di Classe 1 (DPM1) Unità centrale di controllo per scambio dati con I/O remoti e dispositivi di campo (DP-Slaves) Molti DPM1 sono, tipicamente PLC, PC, VME DP-Master di Classe 2 (DPM2) Configurazione, Monitoraggio o Engineering tool per set up rete o parametrizzazione e monitoraggio DP-Slaves DP-Slave Periferiche decentrate e dispositivi direttamente interfacciati Slide 19 Dispositivi tipici sono Input, Output, Drives, Valvole, Panelli operatore... STRUMENTI

20 Configurazione aperta Plug and Play PROFIBUS tool di configurazione Data Sheets elettronico dei dispositivi (GSD-file) PLC PROFIBUS-DP Slide 20 PROFIBUS-PA

21 PROFIBUS per Process Automation E un estensione del Protocollo PROFIBUS-DP usa il livello trasmissione IEC Sostituisce l attuale tecnica analogica ma. Solo due fili per alimentazione e trasmissione dati. Collegamento diretto tra i dispositivi di campo e il sistema di controllo via bus seriale. Adatto per installazioni in luoghi pericolosi con soluzioni a Sicurezza Intrinseca. Più funzioni e trasmissione dati digitale affidabile. Controllo, regolazione e monitoraggio tramite un cavo con semplice coppia di conduttori twistati e schermati. Un unico Tool di configurazione per tutti i dispositivi. Il PROFILO strumenti PROFIBUS-PA garantisce l interoperabilità e l intercambiabilità. Slide 21 Informazioni per la manutenzione e la diagnosi sono sempre disponibili.

22 I Profili di PROFIBUS - PA garantiscono l interoperabilità Definisce i parametri per l esercizio, l identificazione, la manutenzione, la diagnostica... Definisce il significato del dato (temperatura, pressione, portata). Definisce lo stato ed il valore ingegneristico della misura (mbar, kg, l/s, C). Le function block standard garantiscono l intercambiabilità. Definisce i parametri di comunicazione ed il comportamento dei dispositivi. Slide 22 Supporta dispositivi a variabile singole o multiparametro. Studiato per applicazioni in industrie chimiche.

23 La gamma dei prodotti PROFIBUS Drives AC Drives Controllers Software Drivers PLC/NC/RC DC Drives DOS/Windows/NT/95 VME, PC Workstation Analog I/O Network components Repeaters Fiber optics Timer Cables Counter Valves Bus Monitor OS2, QNX Regulators Ident-Systems Configuration VxWorks/PSOS+ Decentralized I/O Binary I/O Tools RT-OS/OS9/VRTX Engineering UNIX/VMS Services Host Interfaces Development Support Implementation Support Training VAX computers VME computers MMI Pneumatic Valves Magnetic Valves Siti Internet: Silvio Appoloni Slide 23 Operator Panels Text Displays Instruments Level Flow Pressure Temperature Gateways AS-Interface Proprietary networks

24 Dalla misura all informazione IERI OGGI VANTAGGI Portata Massa Volume Densità Temperatura Predeterminatori Counter Batch Prebatch N Tag, N serie, versione SW Configurazione Autodiagnosi Condition monitor ri informazioni Processo Manutenzione Slide 24 Info diagnostiche Configurazione Asset management

25 Le Isole funzionali

26 L impianto sotto controllo Supervisione Controllo Manutenzione Diagnostica Analisi Slide 26

27 La comunicazione digitale L evoluzione della comunicazione digitale rende disponibili i seguenti vantaggi: Trasmissione di più valori misurati e della diagnostica dei dispositivi. Riduzione dei costi di installazione ed avviamento in confronto alle tecnologie tradizionali. Trasmissione simultanea di più valori delle variabili di processo e i valori della parametrizzazione dello strumento. Protezione degli investimenti grazie all utilizzo di standard come PROFIBUS. Slide 27

28 Vantaggi: Risparmi nell acquisto e nell installazione Convenzionale Bus di campo Process Near Component (PNC) Process Near Component (PNC) I/O module bus coupler Ex [i] marshalling rack cabinet Ex [i] PS marshalling rack junction box connection elements Riduzione dei cablaggi Minor numero moduli I/O Slide 28 Barriere Ex non necessarie PROFIBUS Minor numero morsettiere FOUNDATION Fieldbus Riduzione quadri elettrostrumentali

29 Vantaggi: Risparmi nell acquisto e nell installazione Installazione tradizionale (4 20mA) 800 I/O 100% Installazione Profibus da I/O 100% Hardware Installation Engineering 22% 27% 50% 12% Engineering 22% Installation 23% Hardware 51% Slide 29 57% 0% mA PROFIBUS Source: NAMUR, AK 3.5 and practical experience

30 Architetture: Controllo+Plant Asset SCADA Ethernet PAM Fieldbus Fieldbus Slide 30

31 Tutte queste aziende fanno parte del consorzio FDT Slide 31

32 Cos è lo standard FDT? Standard aperto, indipendente, per l integrazione di dispositivi di campo in sistemi software, non legati alla tecnologia e ai protocolli dei sistemi di acquisizione e controllo. Integrazione di un ampia tipologia di dispositivi di campo (sensori, valvole, drives, comandi, ecc..) mediante DTM. Slide 32 Modalità di interfaccia operativa uniformata e completa per essere impiegata in tool di gestione (Asset Management) e sistemi di controllo.

33 Cos è un DTM (Device Type Manager) Il DTM contiene le funzionalità di configurazione, diagnostica ed altre funzionalità. Analogia di funzionamento di un DTM con un driver di una periferica in ambiente Windows. Slide 33 I dati sono scambiati attraverso l applicazione FRAME (es. FieldCare E+H). FDT Frame Applic ation DTM

34 Esempio di DTM diagnostica su posizionatore valvola Slide 34

35 Esempio di DTM analisi comunicazione sul bus Slide 35

36 A chi serve un Plant Asset Management Stazione PAM HMI PLC / DCS Tecnologia FDT/DTM Frame Application Variabile di processo Diagnostica Configurazione Backup Documentazione, ecc Slide 36 Operatori di produzione Operatori di manutenzione

37 Life Cycle Management Oggi tutte le aziende si impongono e perseguono obiettivi di competitività ed efficienza: Tempi di risposta rapidi Risposte efficaci Miglioramento del processo (messa a punto fine) Gestione del ciclo di vita del mio impianto o processo al meglio (tutela del patrimonio aziendale) Slide 37

38 - Life Cycle Management Le informazioni sono la chiave: sono sempre aggiornate e facilmente reperibili? Endress+Hauser mette a disposizione una piattaforma Internet contenente tutto il know-how storico e aggiornato in tempo reale relativo ai propri strumenti. Il database, disponibile on-line tramite account, integra ed arricchisce il proprio sistema locale di Plant Asset Management. Slide 38 Informazione sempre aggiornata e facilmente reperibile, in tutte le fasi del ciclo di vita dello strumento!

39 - Life Cycle Management Certificati del produttore Calibrazione, Materiali, Sicurezza Stato dei dispositivi Condizioni di funzionamento, disponibilità, eventi specifici del fornitore, versioni software Storia dei dispositivi Attività di manutenzione, Calibrazione e Service Documentazione Manuali utente, Informazioni tecniche, Istruzioni di montaggio, Disegni e liste dei ricambi Informazioni sulle parti di ricambio Slide 39

40 Portal PROFIBUS PROFIBUS PROFIBUS Slide 40 Impianto 1 Impianto 2 Impianto n

41 Slide 41

42 Parti di ricambio Slide 42

43 La disponibilità dell informazione? Informazione disponibile sempre e dovunque! Slide 43

44 Riepilogo Slide 44 Perché? ri prestazioni Come fare? Standard multivendor A chi interessa? Tutti Quando conviene? Sempre Quali vantaggi? Risparmio economico

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