Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4 20 ma e Foundation Fieldbus

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1 Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4 20 ma e Foundation Fieldbus FF - 1 MAURO ROMAGNOLI Product Manager Specialista Comunicazioni digitali per strumentazione da campo ABB SpA Measurement Products

2 FF - 2 Cos è Fieldbus Foundation Un Protocollo di comunicazione digitale aperto progettato per soddisfare le necessità dell Industria di Processo Bidirezionale Multidrop per utilizzo anche in aree classificate Suddiviso in Bus H1 per il campo e HSE (High Speed Ethernet) Bus H1 o a bassa velocità ha caratteristiche per il controllo di processo: Standard IEC Velocità fissa a 31,25 kbit/sec (Bus H1) Alimentazione 9-32 Vdc Comunicazione ed alimentazione su 2 fili (Loop-Power) Max Lunghezza della linea (doppino) circa 1900 m ** Max numero di strumenti per linea suggeriti 14/16 per la specifica 32 Bus HSE o ad alta velocità ha caratteristiche per l automazione di fabbrica ** max lunghezza dipende da diversi fattori quali topologia di rete, tipo di cavo, numero di strumenti etc etc

3 Differenze Principali con la tecnologia ma Energia disponibile Topologie di collegamento Funzionalità Configurazione FF - 3

4 Energia disponibile Il segnale analogico 4-20 ma è un sistema di comunicazione standard per la strumentazione industriale Il loop di corrente 4-20 ma rappresenta il segnale di misura dei trasmettitori Lo stesso loop di corrente alimenta anche il trasmettitore, Il segnale di misura è valido tra 3.8 e 20.5 ma mentre, in caso di anomalia, il segnale va alla soglia di allarme selezionata di 3.6 ma o oltre 22.0 ma Normal Operation (-1.25%) ( %) Analog Output saturated FF - 4 Device malfunction

5 Energia disponibile La condizione più critica è quando lo strumento va in allarme a 3.6 ma perchè lo strumento deve continuare a funzionare con meno di questa corrente. Questa ridotta disponibilità di energia non consente a strumenti 4 20 ma di svolgere calcoli e funzionalità complesse che sarebbero realizzabili se ci fosse più energia disponibile. FF - 5 Viceversa, gli strumenti Fieldbus non hanno questa limitazione e hanno a disposizione più di 10 ma. Comunicazione con modulazione in corrente a ±9mA!

6 Topologie di Collegamento Ogni strumento analogico è collegato tramite due fili ad una scheda di I/O che converte il segnale ma in una misura in formato ingegneristico Anche gli strumenti FF sono collegati con due fili ma, sullo stesso doppino possono essere collegati più strumenti: Le uscite degli strumenti sono già in formato ingegneristico Le schede di I/O spariscono perche la loro funzione Analog Input (AI) migra all interno dello strumento stesso Host Interface Host Interface Controller Controller HSE Fieldbus Ethernet Field Device I/O Interface 45.2 C 89.1 mbar 512 m3/h Linking Device H1 Fieldbus I/O Interface FF ma 45.2 C 89.1 mbar H1 Fieldbus 512 m3/h

7 Topologie Fieldbus Bus with Spurs Tree H1 Segment H1 Segment Daisy Chain MISTA!! Junction Box H1 Segment H1 Segment Tree FF - 7 SCONSIGLIATA!!! Bus & Spur

8 Funzionalità distintive di FF I Blocchi Funzione (Function Blocks) Controllo distribuito in campo La Funzione LAS (Link Active Scheduler) I tipi di comunicazioni usate da FF Il Macrociclo ed il Determinismo I files DD e CFF FF - 8

9 Struttura a Blocchi dati in strumenti FF Gli strumenti FF contengono molte variabili e informazioni distribuite/mappate in diversi Blocchi Blocco Risorse Blocco Trasduttore Blocchi Funzione Fieldbus FOUNDATION FF - 9

10 Gli strumenti FF hanno almeno 3 Blocchi 1 blocco risorsa (Resource Block) Contiene dati che descrivono le caratteristiche generali del dispositivo: Revisioni Numeri di serie 1 blocco trasduttore (Transducer Block) Connessione tra il mondo fisico (processo) e il mondo informatico (conversioni) Acquisizione e conversione della misura di processo in formato ingegneristico Limiti e Calibrazione del sensore 1 blocco funzione (Function Blocks) Di Ingresso (Analog Input) per i trasmettitori o Di Uscita (Analog Output) per gli Attuatori..che sono direttamente connessi al relativo blocco Trasduttore dal quale ricevono le misure in formato ingegneristico, e applicano le opportune scalature richieste per lo specifico controllo di processo. In aggiunta possono esserci molti altri Blocchi Funzione FF - 10

11 Function Blocks..Cosa sono e cosa fanno? I Function Blocks sono moduli software che: 1- ricevono delle misure o variabili in ingresso le elaborano attraverso formule/algoritmi di calcolo. 3-. producono i risultati in uscita Function Block model Algorithm Inputs Outputs FF - 11 Mode Structure (Manual, Auto, etc...)

12 FF - 12 Function Blocks. Quali e quanti sono? Input Class AI analog input DI discrete input MAI multiple analog input MDI multiple discrete input PUL pulse input Control and Calculate Class PID PID control EPID enhanced PID APID advanced PID ARTHarithmetic SPLT splitter CHAR signal characterizer INTG integrator/totalizer AALManalog alarm ISEL input selector SPG setpoint ramp generator Standard Function Blocks TIME timer and logic LLAG lead-lag OSDLoutput selector / dynamic limiter DENSdensity CT constant FFET flip-flop and edge trigger MBCS modbus control slave MBSS modbus supervision slave MBCM modbus control master MBSM modbus supervision master Output Class AO analog output DO discrete output MAO multiple analog output MDO multiple discrete output STEP step output PID

13 Function Blocks.. Come si usano? I Function Blocks possono risiedere nel Controllore (tradizionale) e/o negli strumenti da campo come Trasmettitori o Posizionatori I Function Blocks di controllo contenuti in uno strumento, possono essere usati anche da altri strumenti connessi sullo stesso segmento/rete Collegando virtualmente tra loro (link) diversi Function Blocks si progetta una strategia di controllo....se i Function Block sono residenti negli strumenti si realizza un controllo distribuito in campo FF - 13

14 Applicazioni Tipiche AI DI M AI AI AI PID AO Input AO R PID Feedback Control AO DO Output Manual Control Ratio Control AO AI AI AI PID PID PID AI PID Cascade Control AI PID AO AI DI Feedforward Control AI PID AO BG AO BG AO Split Range Control CS AO Override Control FF - 14

15 Function Blocks..nell uso tradizionale FF - 15 Transmitter Measure AI OUT Input Board Signal Processing Controller BKCAL_IN IN OUT PID Traditional CONTROL SYSTEM Regolazione BKCAL_OUT CAS_IN AO Output Board Signal Processing Valve FIELDVUE Actuate

16 Function Blocks.nella soluzione FF Host Trasmettitore Valvola BKCAL_IN BKCAL_OUT FIELDVUE AI OUT IN OUT PID CAS_IN AO FF - 16 massima flessibilità

17 Function Blocks.Controllo di Cascata Convenzionale PID PID DCS AI AI I/O Cards AO 4-20 ma 4-20 ma 4-20 ma FF - 17

18 Function Blocks.Controllo di Cascata con FF DCS AI PID Fieldbus AO AI PID FF - 18 AI_1 BKCAL_IN OUT IN PID_1 (Master) AI_2 OUT OUT BKCAL_IN CAS_IN IN PID_2 (Slave) OUT BKCAL_OUT CAS_IN AO OUT BKCAL_OUT

19 Function Blocks..Ma cosa cambia per gli strumenti? Gli strumenti FF non sono valutati solo per la loro funzione tradizionale di misura ma anche per la loro capacità di calcolo Se si vuole realizzare del controllo distribuito bisogna selezionare strumenti che contengano numero & tipi di Function Blocks necessari allo scopo FF - 19 E anche necessario verificare il loro Execution Time per capire se sono adeguati alle perfomance di controllo richieste

20 FF - 20 Fieldbus Data Sheet (example) Tag Number: Basic Fieldbus Function Blocks Advanced Function Blocks Segment Information Analog Input (AI) Number Execution Time (msec) Discrete Input (DI) Number Execution Time (msec) Pulse Input (PI) Execution Time (msec) Device: Complex Discrete Output (CDO) Bias (B) Execution Time (msec) Device Control (DC) Manual Loader (ML) Execution Time (msec) Proportional/Integral/Derivative (PID) Execution Time (msec) Analog Output (AO) Number Discrete Output (DO) Execution Time (msec) Number Execution Time (msec) Execution Time (msec) Execution Time (msec) Segment #: LAS Capable: YES NO Integrator (I) Execution Time (msec) Device current draw (ma): Analog Human Interface (AHI) Execution Time (msec) Device Minimum Voltage: Device capacitance: Polarity Sensitive: YES NO Input Selector (IS) Execution Time (msec) Segment terminator location: Lead Lag Controller (LL) Execution Time (msec) VCR s: DD Revision: Control Selector (CS) Signal Splitter (SS) Execution Time (msec) CCF Revision: Proportional/Derivative (PD) Execution Time (msec) Execution Time (msec) Timer (T) Execution Time (msec) ITK Version: Ratio (R) Execution Time (msec) Arithmetic (A) Execution Time (msec) Digital Alarm (DA) Execution Time (msec) Calculate (C) Execution Time (msec) Analog Alarm (AA) Execution Time (msec) Deadtime (D) Execution Time (msec) Complex Analog Output (CAO) Execution Time (msec) Complex Analog Output (CAO) Execution Time (msec) Set Point Ramp Generator (SRG) Signal Characterizer (SC) Execution Time (msec) Digital Human Interface (DHI) Execution Time (msec) Execution Time (msec) Execution Time (msec) Notes

21 Struttura di un Trasmettitore FF Competenza dello Strumentista DAP (Device Application Process) Device VFD Physical I/O Resource Block (Only 1) DAP Transducer Block(s) Channel Channel Analog Input Block Digital Input Block Link Link CAP Link Link PID Block FF - 21 Competenza Dell ingegneria di Controllo CAP (Control Application Process)

22 LAS (Link Active Scheduler).. Cos è? La funzione LAS è il coordinatore di una rete FF La sua funzione è anche chiamata Arbitro di BUS perchè uno dei suoi compiti è di gestire il traffico delle comunicazioni che devono intercorrere tra strumenti e tra strumenti e DCS Può essere immaginata come quella del direttore d orchestra che coordina gli orchestrali (strumenti da campo) che devono seguire uno spartito (Macrociclo) FF - 22

23 LAS (Link Active Scheduler).. a Cosa serve? Il LAS si occupa di Auto-rilevazione degli strumenti connessi sul bus (live List) Assegnamento automatico dell indirizzo di rete e ricerca con TAG Gestione delle comunicazioni Scheduled and Unscheduled Time Distribution (Sincronizzazione fra gli strumenti) La funzione LAS in forma ridotta può essere sviluppata anche negli strumenti da campo (Backup LAS) FF - 23

24 LAS (Link Active Scheduler)..i tipi di Comunicazioni Unscheduled (asincrone) Client Server (one to one) Usata per messaggi di Configurazione / Manutenzione / Monitoring degli strumenti Trasmesse solo su intervento/richiesta dell operatore Report Distribution (one to many) Usate per la Notifica di Eventi/Allarmi e per la trasmissione di Trend. Trasmesse da strumento con allarmi attivi solo quando il LAS gli passa il Token Scheduled (Sincrone) Publisher Subscriber (one to many) Usate per la pubblicazione/scambio di variabili tra Function Blocks collegati link tra loro FF - 24 Esclusivamente dedicate alla realizzazione del Controllo di Processo

25 il Macrociclo Device 1 AI OUT Device 2 OUT Device 4 Device 3 IN BK_CAL IN PID AI OUT IN IN IN DISP BK_CAL OUT CAS_IN AO VCR2 DISP UNSCHEDULED FF - 25 AIN AIN VCR1 PID AOUT MacroCycle Request/Response Communication (Unscheduled) t

26 Sistema Deterministico Unscheduled DISP DISP DISP DISP AIN AIN AIN AIN AO AO AO AO PID PID PID PID AIN AIN AIN AIN FF - 26

27 H1 - ridondanza del LAS Sistema Multimaster FF distingue 2 tipi di strumentazione: Link Master e Basic Solo strumenti Link Master supportano la funzione di Backup-LAS H1 Fieldbus LAS BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (back-up) BASIC DEVICE FF - 27

28 La funzione Backup LAS La funzione Backup LAS negli strumenti da campo E di fatto una ridondanza funzionale perchè mantiene vive le operazioni di controllo anche nel caso il Link Master (primary LAS) fallisce La funzione di LAS viene trasferita al dispositivo di back-up quando muore il LAS primario H1 Fieldbus LAS LAS BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (back-up) (primary ) BASIC DEVICE FF - 28

29 Device Description (DD) Il Device Description è una descrizione estesa di ogni oggetto/parametro all interno dello strumento, da rendere disponibile attraverso il bus per letture/scritture Il DD consente ad ogni Host FF di riconoscere ed utilizzare, in modo automatico, il corrispondente Field Device (E da considerarsi come il driver di una stampante) + ON-LINE configuration FF - 29

30 Capability File (CFF) Il Capability File descrive le risorse dello strumento tipo: Numbero e tipi di Function Blocks Tempo d esecuzione dei Function Blocks (Execution Time) Settaggio di default dei parametri/oggetti deifunction blocks.. + OFF-LINE configuration FF - 30

31 Vantaggi dei Fieldbus Controller I/O Subsystem Traditional One Variable One direction Controller Fieldbus Multiple Variables Both directions FF - 31

32 Vantaggi dei Fieldbus Controller I/O Subsystem Traditional View stops at I/O Subsystem Controller Fieldbus View extends into Instrument FF - 32 Instrument extends to view process

33 Vantaggi dei Fieldbus Controller PID I/O Subsystem Traditional AI AO Controller Fieldbus Some Controls and I/O can move to field Instruments FF - 33 PID AI AO

34 Vantaggi dei Fieldbus Controller Traditional Controller Fieldbus I/O Subsystem One I.S. barrier One Wire I.S. One I.S. barrier, One Wire for many Devices I.S. I.S. I.S. FF - 34

35 Analog / Digital communication Quali sono le differenze tra una comunicazione analogica e una digitale nell automazione di processo? analog Trasmissione of solo una variabile di processo (il valore della corrente ma) Riconoscimento di problemi di collegamento (interruzione della linea) Riconoscimento di problemi di strumento (Sensor Fail) sotto forma di livello del segnale d uscita 3.6 ma / 22.0 ma digital Può essere trasmessa più di una variabile di processo Ogni variabile di processo è trasmessa con il suo Quality Status (Bad, Uncertain, Good) Le variabili di processo sono trasmesse in formato ingegneristico e ad Alta risoluzione Le informazioni di diagnostica riguardo rotture nello strumento possono essere trasmessi per funzioni di Asset Management FF - 35

36 FF - 36 Sommario del confronto Sparisce il segnale d uscita 4 20 ma e relativo convertitore D to A La funzione dell I/O Card che, in sala controllo, converte il segnale 4 20 ma in formato digitale migra all interno del trasmettitore stesso La misura è trasmessa in formato ingegneristico (es: 27.5 C o mbar) Non è indispensabile settare un campo di misura o d uscita in quanto lo strumento fieldbus misura e trasmette in formato digitale tutto quello che è all interno dei limiti fisici del sensore il settaggio del campo d uscita serve: Se si vuole leggere la misura in percentuale del campo di misura Se la misura è derivata, ad esempio una Portata misurata con un dp Come semplice informazione per l utente o il DCS ma non ha effetto sui calcoli

37 Sommario dei vantaggi Topologia Multidrop, un doppino per più strumenti Più energia per gli strumenti non vincolati dal loop di corrente 4-20 ma. Più informazioni disponibili per Monitoraggio - Diagnostica - Controllo Misura disponibile come valore reale espresso nella unità di misura selezionata e con in aggiunta una validazione del valore stesso (Status Byte) Le misure sono composte di 5 Bytes (Input/Output) I 5 Bytes sono composti da 4 Bytes floating point e 1 Byte di Quality Status BAD + Dettaglio UNCERTAIN + Dettaglio GOOD + Dettaglio S V V V V 8 Bits for status description according to NAMUR NE E E 39 FF Bad / Uncertain Good / Maintenance Integrazione fra Local Devices/Control System Migliore precisione dovuta all assenza di conversioni A/D e D/A Minore ritardo di aggiornamento/propagazione dell informazione dovuto a minor numero di elementi tra lo strumento ed il DCS Maggiore Flessibilità

38 Sommario dei vantaggi Riduzione di: Cavi e Armadi di connessione I.S. Barriers Input / Output Converters Alimentatori ed Armadi Spazio per sale di controllo dell impianto FF - 38

39 Test comparativi di controllo in campo e tradizionale FF - 39 Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process

40 Test comparativi di controllo in campo e tradizionale FF - 40

41 Sorgente FF - 41

42 Grazie Domande? FF - 42

43 Consorzio Fieldbus Foundation - FF Fieldbus Foundation

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