FOUNDATION TM Fieldbus technology

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1 Fieldbus Foundation Freedom to choose. Power to integrate FOUNDATION TM Fieldbus technology PRIOLO 12-GIUGNO-08- GIORNATA DI STUDIO La tecnologia di base di FF La tecnologia Il bus H1 Il bus H2 (HSE) Interoperabilità Certificazione dei Prodotti (emessa da Ente Terzo) 1

2 Foundation Fieldbus Le basi Introduzione alla tecnologia Definizione di Foundation Fieldbus è un bus di campo che: integra sensori ed attuatori nel sistema di controllo e automazione fornisce maggiori informazioni al sistema rispetto al tradizionale. Contribuisce a creare il vero controllo distribuito 2

3 Reti informatiche di impianto Rete Ethernet di fabbrica Office automation e rete computer Sistema di controllo (LAN) Sistema di controllo e monitoraggio Fieldbus Rete per strumenti di campo FOUNDATION TM Fieldbus - cos è? Un protocollo di comunicazione aperto, digitale, bidirezionale che si compone di: una rete ( backbone) veloce per incontrare le necessità del automazione di fabbrica un bus a bassa velocità per incontrare le necessità del controllo di processo Percorso di integrazione alla automazione degli impianti sensori ed attuatori integrati nel sistema di controllo di fabbrica Riduzione significativa dei costi sulla costruzione dell impianto sulle operazione di conduzione sulla manutenzione dello stesso Host HSE H1 Automation Control 3

4 Bus di campo : le tipologie FOUNDATION Fieldbus - la differenza Device descriptions interoperabilità testata Function blocks vero controllo distribuito Control Anywhere Process Control Logic Control Sensorbus Bit level Simple Devices FOUNDATION TM Fieldbus Devicebus Byte level Fieldbus Block level Complex Devices 4

5 H1 User Layer - ovvero chi fa la differenza SENSOR USER LAYER H1 STACK PHYSICAL LAYER Provvede all interfaccia con il processo determina l interazione tra l utenza e il sistema host Standard Function Blocks definizione dei dati di comunicazione e delle funzioni distribuite nei device di campo in modo comune per i diversi fornitori di strumentazione System Management schedulazione deterministica dei function bloks Device descriptions il sistema host interagisce con il device senza necessitare di una programmazione di tipo custom Common File Format permette la configurazione del segmento in modo off-line ( con gli strumenti scollegati o senza avere disponibilità del segmento) FOUNDATION Fieldbus topology Host Interface HSE Fieldbus Ethernet Field Device Linking Device H1 Fieldbus I/O Interface H1 Fieldbus 5

6 Foundation Fieldbus BUS H1 Il controllo di processo Definizione di Bus H1 E una LAN digitale per la comunicazione birezionale, multi-drop, e collega strumentazione da campo, che sfruttando la propria intelligenza realizza il vero Controllo Distribuito ; è specificatamente progettato per soddisfare le necessità della Industria di Processo Comunicazione a due vie 6

7 Il Collegamento Fisico IEC Standard kb/s 9-32 Vdc loop power ~15-22 ma per device Junction Boxes Operator Interface 9~32 V Power Supply Terminator Terminator Power Filter Local Operator Interface Doppino bifilare twistato ; le apparecchiature sono un nodo della LAN Configurator Power Filter Tipologia dei dispositivi in H1 100 Mbits/sec HSE Fieldbus Basic device Host Interface Bridge Ethernet Field Device Link Master device Link Active Scheduler (LAS) Linking device (Bridge) kbits/sec H1 Fieldbus H1 Field Device 7

8 Topologia di Collegamento Junction Box Punto- Punto Bus con derivazioni In catena Albero Bassa Densità NON Raccomandato Alta Densità La Nuova Architettura d Impianto PC Sistemi Gestionali Sistemi di Laboratorio PC/ PLC Sistemi Gestionali Sistemi di Laboratorio PLC DCS Sistemi di Analisi DCS Sistemi di Analisi Valvole Trasmettitori Motori Valvole Trasmettitori Motori Attuale Fieldbus Foundation 8

9 Elementi Distintivi e Basilari di FF BLOCCHI FUNZIONE (Function Block) LAS (Link Active Scheduler) DDL (Device Description Language) In un device risiedono almeno 3 FB Il blocco risorsa (Resource Block) Descrive le caratteristiche del dispositivo Contiene le informazioni del costruttore Identifica le risorse disponibili e le configurazioni Il blocco trasduttore (Transducer Block) interfaccia fisico di I/O con il sensore o l attuatore sviluppa i calcoli per la conversione A/D, linearizzazioni, ecc. trasmette e/o riceve dati dai/ai Function Blocks il blocco trasduttore è la vera finestra sul processo e integra funzioni di diagnostica Permette la configurazione e fornisce le informazioni diagnostiche del sensore e/o attuatore Il blocco funzione (Function Blocks) Sono gli elementi con i meccanismi e capacità di comunicare, calcolare e interagire con altri apparecchi in ogni dispositivo deve essere presente almeno un blocco funzione 9

10 Standard Function Block del Bus H1 DI Input DO ML PD DI Output Manual Control Feedback Control Track, Feedforward Capability in Control CS R BG BG Override Control Ratio Control Cascade Control Split Range Control Blocchi Funzione Standard Blocchi Funzione Base Ingresso analogico Uscita analogica Media & Guadagno Selettore controllo Ingresso discreto Uscita discreta Controllo manuale Controllo PD Controllo Controllo Rapporto Blocchi Funzione avanzati Allarme analogico Funzioni aritmetiche Tempo morto Controllo apparecchiatura Selettore ingresso Integratore Lead/Lag Generatore di rampa per setpoint Caratterizzatore segnale Splitter Timer 10

11 Funzione Fisso Ingressi Algoritmo Uscite Ex: Modalità operativa (Manuale, Automatico, etc...) Funzione Flessibile FFB Estendono l uso dei Blocchi Funzione Tipo e quantità da Configurare Application- Specific Algorithm Tipo e quantità da Configurare FFB fornisce un contenitore per Algoritmi di Applicazioni-specifiche FFB sono attivabili a mezzo di programmi di configurazione (ad.es. IEC 61131). Esempi di Applicazioni con FFB Sequenza di Eventi CoordinamentoMotori Sequenze Batch Supervisore di Acquisizione Dati Sottosistemi I/O d Interfaccia Gestione Bruciatori 11

12 Trasmettitore di pressione differenziale SENSOR TRANSDUCER BLOCK USER LAYER H1 STACK ANALOG INPUT BLOCK ANALOG INPUT BLOCK RESOURCE BLOCK MAU Fieldbus wire DIAGNOSTIC DATA DIFFERENTIAL PRESSURE STATIC PRESSURE Posizionatore per valvole ACTUATOR TRANSDUCER BLOCK USER LAYER H1 STACK ANALOG OUTPUT BLOCK VALVE POSITION DIGITAL DIGITAL INPUT INPUT BLOCK BLOCK MAU BLOCK RESOURCE BLOCK Fieldbus wire DIAGNOSTIC DATA LIMIT SWITCH LIMIT SWITCH 12

13 Uso dei Blocchi Funzione CONTROLLO IN CAMPO La regolazione sui Device Locali è resa possibile dai Blocchi Funzione e dal determinismo dei segnali trasmessi, due sono i tipi di comunicazione nel Bus : Ciclica (Publisher/Subscriber) Segnali di regolazione Aciclica (Client/Server) Segnali diagnostici/configurazione DIAGNOSTICA AVANZATA I Blocchi Funzione specifici permettono di effettuare diagnostica di Processo facendo interagire I segnali provienti da diversi Device.Esempi tipici: Intasamento Impulse Lines Controllo perdite in Linea SPM(Statistical Process Monitoring) Function block per il controllo nel sistema tradizionale Controller Regolazione BKCAL_IN IN OUT Valve Transmitter BKCAL_OUT FIELDVUE Measure OUT Input Board Signal Processing Traditional CONTROL SYSTEM CAS_IN Output Board Signal Processing Actuate 13

14 Function Block nella soluzione Foundation Fieldbus massima flessibilità Host Trasmettitore Valvola BKCAL_IN BKCAL_OUT FIELDVUE OUT IN OUT CAS_IN F.B. di Controllo Cascata Convenzionale DCS 4-20 ma 4-20 ma 4-20 ma 14

15 F.B. di Controllo Cascata con F. F. Fieldbus Elementi Distintivi e Basilari di FF BLOCCHI FUNZIONE (Function Block) LAS (Link Active Scheduler) DDL (Device Description Language) 15

16 LAS Arbitro del Bus Autorilevazione della connessione Indirizzamento automatico e ricerca a mezzo Tag Gestione segnali sincroni e asincroni Clock di allineamento tempi del Bus Gestione del back-up del LAS nei device H1 Fieldbus LAS BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (back-up) BASIC DEVICE H1 - ridondanza del LAS 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 16

17 Link Active Scheduler (LAS) Link Active Scheduler I (ma) Token I q1 I (ma) Token I q2 I (ma) I q3 Token 16 ~ 20 ma Sequenze di Macrociclo TT 355 lb/s Good, Cascade 355 lb/s Good, Cascade FT 355 lb/s Good, Cascade 355 lb/s Good, Cascade FCV 55 % Good, Cascade 55 % Good, Cascade macro-cycle macro-cycle Cyclic Acyclic Block Execution 17

18 Tempo del Macrociclo Loop Singolo 240 ms msms 120 ms 60 ms CD Traffic PRIOLO 12-GIUGNO-08- GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Se si aggiunge un 2 loop? 480 ms msms 120 ms ms msms 120 ms 60 ms PRIOLO 12-GIUGNO-08- GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February

19 Aggiunta del 2 Loop! 270 ms ms ms ms 120 ms 60 ms CD Traffic Backup LAS disponibile in campo ADVANCED CONTROL OPTIMIZATION Fieldbus LAS 19

20 Elementi Distintivi e Basilari di FF BLOCCHI FUNZIONE (Function Block) LAS (Link Active Scheduler) DDL (Device Description Language) DDL - Device Description Language Apparecchio Venditore A Apparecchio Venditore B DD-Interpreter interno Codice DD Fieldbus Device Descriptions permette di operare apparecchi di diversi costruttori utilizzando la stessa versione di software nella consolle operatore 20

21 Informazioni complete sullo strumento Il Capabilities File e la DD forniscono tutte le informazioni necessarie alla configurazione. Strumento Capabilitie s File DD Informazioni Complete sullo Strumento Database Strumento (Insieme Strumento) Importare Progettazione Sistema Fieldbus Configurazione Formato del File Comune ( CFF ) La Specifica FF, FF-103, fornisce una tecnologia per il trasferimento delle informazioni, sotto forma di testo: Capabilities File per le specifiche dell apparecchiatura Value File per i dati di configurazione Value File Configurazion e Capabilitie s File Costruttore Specifiche Utente Integratore Sistema 21

22 Foundation Fieldbus BUS (H2) HSE Ridondanza e Controllo Logiche HSE - High Speed Ethernet HSE Utilizza la stessa tecnologia H1 a livello User Layer Blocchi Funzione FB Device Descriptions (DDL) HSE Utilizza la tecnologia Ethernet/Internet per la Comunicazione Standard IEEE Physical Layer Standard Internet Protocols per lo Stack Commercial Off The Shelf (COTS) Network Equipment 22

23 Topologia Generale Linking Device Gateway Device Bus H1 Altri protocolli Strumentazione convenzionale Caratteristiche Generali Bus Alta velocità a 100Mbits/s Protocollo Foundation Fieldbus Ridondabilità completa Aperto ad altri protocolli e/o fieldbus Blocchi funzione fissi / flessibili (D/A) Collegamenti in cavo(doppino) e/o in fibre ottiche Apparecchiature STD ad elevate prestazioni ma con basso costo 23

24 HD Collegamento Tipico a Stella SISTEMA (HOST) Apparecchiature HSE Gateway GD Interruttore 100 Mbit/s Rete I/O ED Strumento di Collegamento Strumento di Collegamento (LD) P L H1 LD Impianto Apparecchiatura da Campo Ethernet P L H1 Impianto P L H1 Impianto P L H1 Impianto 100 metri su doppino twistato 2000 metri su fibre ottiche Caratteristiche Generali Soluzione basata sugli standard esistenti IP e TCP/UDP Interfacciabili a mezzo di apparecchiature standard Linking Device (LD) Bus H1 F.F. Ethernet Device (ED) Apparecchi standard TCP Gateway Device (GD) Interfaccia altro Bus Host Device (HD) Interfaccia Sistema 24

25 LD - Strumento di Collegamento Un Linking Device, che connette il bus HSE e Bus H1, è configurato con qualsiasi F.F. Configuration Tool. Ha funzione LAS incorporata FIELDBUS H1 Linking Device LD - Strumento di Collegamento LD permette di effettuare Regolazioni Locali avendo il sincronismo dei LAS HSE Linking Device BUS H1 BUS H1 Devices su reti diverse 25

26 Ridondanza di Nodo Interruttore B Interruttore A PLC Collegamento Ridondante Linking Device A Linking Device B Device Ridondante Apparecchiature Fieldbus H1 Ridondanza Completa Rete e Linking Devices Workstations Switch Primario Switch Secondario Linking device Ridondanti Linking device Ridondanti 26

27 Funzione Flessibile FFB Estendono l uso dei Blocchi Funzione Tipo e quantità da Configurare Application- Specific Algorithm Tipo e quantità da Configurare FFB fornisce un contenitore per Algoritmi di Applicazioni-specifiche FFB sono attivabili a mezzo di programmi di configurazione (ad.es. IEC 61131). Esempi di Applicazioni con FFB Sequenza di Eventi CoordinamentoMotori Sequenze Batch Supervisore di Acquisizione Dati Sottosistemi I/O d Interfaccia Gestione Bruciatori Controllo di Processo Controllo di Processo Base Fieldbus H1 31,25 kbit/s Blocchi Funzione Base Algoritmo fisso e I/O Ingresso analogico Uscita analogica Media & Guadagno Selettore controllo Ingresso discreto Uscita discreta Caricatore manuale Controllo PD Controllo Controllo Rapporto 27

28 Controllo di Processo, Avanzato & Discreto Algoritmo fisso e I/O Algoritmo flessibile e I/O Fieldbus H1 31,25 kbit/s Blocchi Funzione Base Ingresso analogico Uscita analogica Media & Guadagno Selettore controllo Ingresso discreto Uscita discreta Caricatore manuale Controllo PD Controllo Controllo Rapporto Fieldbus HSE a 100 Mbit/s Blocchi Funzione Avanzati Allarme analogico Aritmetico Tempo morto Controllo apparecchiatura Selettore ingresso Integratore Lead/Lag Generatore di rampa per set point Caratterizzatore segnale Splitter Timer Controllo di Processo, Discreto & Batch Algoritmo fisso e I/O Algoritmo flessibile e I/O Fieldbus HSE a 100 Mbit/s Fieldbus HSE a 100 Mbit/s Fieldbus H1 31,25 kbit/s Controllo di Processo Base Blocchi Funzione Base Ingresso analogico Uscita analogica Media & Guadagno Selettore controllo Ingresso discreto Uscita discreta Caricatore manuale Controllo PD Controllo Controllo Rapporto Fieldbus H1 31,25 kbit/s Controllo di Processo Avanzato Blocchi Funzione Avanzati Allarme analogico Aritmetico Tempo morto Controllo apparecchiatura Selettore ingresso Integratore Lead/Lag Generatore di rampa per setpoint Caratterizzatore segnale Splitter Timer Fieldbus H1 31,25 kbit/s Controllo Ibrido/Batch Controllo Discreto Integrazione d Azienda Blocchi Funzione Flessibili Ingressi/Uscite Multiple I. analogico 8 canali (M) U.analogica 8 canali (M) I. discreto 8 canali (MDI) U. discreta 8 canali (MDO) Specifiche applicazioni (IEC 61131) Sequenza Eventi Acquisizione dati supervisione Sequenziamento batch Gestione bruciatore Interfaccia sistema I/O 28

29 Foundation Fieldbus interoperabilità Garanzia di funzione Definizione di interoperabilità Sono I test definiti alla fine dell anno 2000, sia per i Device che per i sistemi di controllo. Garantiscono la completa funzionalità del sistema Fieldbus FOUNDATION aggiorna la lista delle funzionalità host supportate e delle apparecchiature certificate sul proprio sito 29

30 Definizione di interoperabilità Capacità di costruire un sistema fieldbus multifornitore senza perdere funzionalità Non significa intercambiabilità delle apparecchiature L approccio deve essere sistematico per consentire la configurazione automatica Definizione di interoperabilità Il costo iniziale può essere minimizzato selezionando l apparecchiatura più idonea I costi di conduzione possono essere ridotti grazie alla disponibilità delle informazioni fornite dalle apparecchiature intelligenti I test definiti sono: ITK4 per gli strumenti con emissione del certificato HIST per i sistemi senza emissione del certificato 30

31 Foundation Fieldbus Certificazione La garanzia dello standard Componenti di Base nei Device Blocchi Software di Apparecchi Locali Risorse Trasduttore Blocchi Funzione Fieldbus FOUNDATION 31

32 Componenti di Base nell Host Blocchi Software di Schede Host Risorsa Scheda Controllore (Blocchi) Funzione Fieldbus FOUNDATION Certificazione Prodotto Ente Terzo Procedure di test ITK4 Stack registrato Blocchi Funzione = FOUNDATION Device da testare Tests eseguito presso Fieldbus Foundation in Austin, TX Report rilasciato al costruttore del device Device registrato Pubblicato sul sito web di FF 32

33 Attestato di Prova Host Ente Terzo Procedure di test HIST (Host Interoperability Support Test ) Fornire garanzie che un sistema Host sia INTEROPERABILE con i dispositivi registrati Fieldbus Foundation.E una serie di test di funzionalità supportate dal sistema Host, senza vincoli ed ogni produttore definisce quali funzioni sono supportate. Ad esempio: Initial Connection and Address Assignment Reading and Writing of Field Device Information Test of configuration of link objects and schedule Testing of the Device Description Support Testing of Mode and Status ; Testing of Alarms and Events Testing of View and Trend Objects ; Testing of Block Specific Behavior Cosa significa per l utente Assicura che le apparecchiature di costruttori diversi sono state sottoposte a test comuni Le apparecchiature sono testate e verificate da una Terza Parte Assicura che le apparecchiature certificate di differenti costruttori sono state testate con diversi sistemi host Conferma le caratteristiche comuni delle apparecchiature Conferma le funzionalità supportate dai sistemi host 33

34 ITK4 - test sui dispositivi Test della configurazione dello strumento e dei Blocchi Funzione Test del Device Description (DD) Test del Capability File (CFF) Specifiche del Test del Livello Fisico Cosa viene testato nel device Sensore ed Attuatore Trasduttore 1 Collegamenti Allarmi Risorse Funzioni 1 Tendenza Elenco Viste Parametri Funzioni 2 Elenco Viste Il test verifica: Risorse Blocchi Funzione Parametri Funzione Collegamenti Configurazione Gestione Trasduttore Testato dal costruttore 34

35 Il blocco risorse Sensore o Attuatore Trasduttore 1 Collegamenti Allarmi Risorse Funzione 1 Elenco Viste Parametri Il Risorse definisce le capacità funzionali comuni a tutti i tipi di apparecchiature Funzione 2 Tendenza Elenco Viste Il blocco funzione Sensore o Attuatore Trasduttore 1 Collegamenti Allarmi Risorse Funzione 1 Elenco Viste Parametri Funzione 2 Si testano tutti i parametri dei blocchi funzione dell apparecchio Risultato: La parte visibile della rete del blocco funzione è implementata correttamente Tendenza Elenco Viste 35

36 Il blocco trasduttore Non testato direttamente da FF! Sensore o Attuatore Trasduttore 1 Risorse Funzione 1 Parametr i Il Trasduttore è l interfaccia tra i blocchi funzione standard ed il processo (sensore) e pertanto è specifico del costruttore Collegamenti Allarmi Elenco Viste Funzione 2 Il Sistema dei Test supporta i test effettuati dal costruttore con kit personalizzati e FF verifica la DD Tendenza Elenco Viste Contenuto del Test Interoperabilità Sistema Host Test funzionali supportati dal programma di test HIST: Connessione iniziale ed Assegnazione Indirizzo Lettura e Scrittura delle Informazioni dell Apparecchiatura di Campo Test della configurazione degli oggetti collegati e programmazione Test delle funzioni Modo e Stato Test delle funzioni Allarmi ed Eventi Test delle funzioni Vista e Tendenza Test del Comportamento Specifico del Test del Device Description Support Test del Capabilities File Support (richiesto per configurazione offline) 36