Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4…20 mA e Foundation Fieldbus

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

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 61158-2 • 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 4..20 mA Energia disponibile Topologie di collegamento Funzionalità Configurazione

4. Normal Operation Analog Output saturated (103.125%) 20.5 22.0 3.6 3.7 3.8 (-1.25%) Device malfunction 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

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. • 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 H1 Fieldbus 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 Ogni strumento analogico è collegato tramite due fili ad una scheda di I/O che converte il segnale 4..20 mA in una misura in formato ingegneristico Host Interface Host Interface Ethernet Field Device Controller HSE Fieldbus Controller Linking Device 512 m3/h 89.1 mbar 45.2 °C I/O Interface I/O Interface H1 Fieldbus 4..20 mA 45.2 °C 512 m3/h 89.1 mbar

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

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

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

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

11. Algorithm Inputs Outputs Function Blocks…..Cosa sono e cosa fanno? • I Function Blocks sono “moduli” software che: 1- ricevono delle misure o variabili in ingresso…. 2- .... le elaborano attraverso formule/algoritmi di calcolo…. 3- …. producono i risultati in uscita Function Block model ModeStructure (Manual, Auto, etc...)

12. 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 ARTH arithmetic SPLT splitter CHAR signal characterizer INTG integrator/totalizer AALM analog alarm ISEL input selector SPG setpoint ramp generator Function Blocks…. Quali e quanti sono? Standard Function Blocks • TIME timer and logic • LLAG lead-lag • OSDL output selector / dynamic limiter • DENS density • 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

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

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

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

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

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

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 contenganonumero&tipidi Function Blocksnecessari allo scopo • E’ anche necessario verificare il loro‘Execution Time’ per capire se sono adeguati alle perfomance di controllo richieste

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

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)

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)

24. 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 Esclusivamente dedicate alla realizzazione del Controllo di Processo LAS (Link Active Scheduler)…..i tipi di Comunicazioni

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

26. Sistema Deterministico Unscheduled DISP DISP AIN AIN AIN AO AO PID PID PID AIN AIN AIN DISP DISP AIN AO AO PID AIN

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

28. LAS (primary ) 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 BASIC DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) LINK MASTER DEVICE (back-up)

29. Device Description (DD) + 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

30. Capability File (CFF) CFF + DD 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

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

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

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

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

35. Analog / Digital communication Quali sono le differenze tra una comunicazione analogica e una digitale nell’automazione di processo ? digital analog • Trasmissione of solo una variabile di processo (il valore della corrente 4..20 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 • 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

36. Test comparativi di controllo in campo e tradizionale Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process

37. Test comparativi di controllo in campo e tradizionale

38. Sorgente

39. Grazie Domande?