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ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005
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Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4…20 mA e Foundation Fieldbus
MAURO ROMAGNOLI
Product ManagerSpecialista Comunicazioni digitali per strumentazione da campo
ABB SpA
Measurement Products
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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
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Energia disponibile
Topologie di collegamento
Funzionalità
Configurazione
Differenze Principali con la tecnologia 4..20 mA
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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
Energia disponibile
Device malfunction
22.03.7
Analog Output saturated
3.8 (-1.25%) (103.125%) 20.5
Normal Operation
3.6
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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!
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Topologie di Collegamento
HSE Fieldbus
I/O Interface
Ethernet Field Device
Linking Device
Host Interface
H1 Fieldbus
H1 Fieldbus
Controller
I/O Interface
Host Interface
Controller
4..20 mA
45.2 °C
89.1 mb
ar
89.1 mbar45.2 °C
512 m3/h
512 m3/h
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
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 ingegneristicoLe schede di I/O spariscono perche la loro funzione Analog Input (AI) migra all’interno dello strumento stesso
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Topologie Fieldbus
H1 Segment
Bus with Spurs
H1 Segment
Junction Box
Tree
H1 Segment
SCONSIGLIATA !!!
Daisy Chain
H1 Segment
Bus & Spur
Tree
MISTA !!
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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
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Struttura a “Blocchi” dati in strumenti FF
Gli strumenti FF contengono molte variabili e informazioni distribuite/mappate in diversi “Blocchi”
BlocchiFunzione
Blocco Trasduttore
FieldbusFOUNDATION™
BloccoRisorse
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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
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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
OutputsInputs
Mode Structure(Manual, Auto, etc...)
Algorithm
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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• ARTH arithmetic• SPLT splitter• CHAR signal characterizer• INTG integrator/totalizer• AALM analog alarm• ISEL input selector• SPG setpoint ramp generator
• 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
Standard Function Blocks
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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
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Applicazioni Tipiche
AI DI
AO DO
M
AO
Input
OutputManualControl
AI
PID
AO
AI
DI
FeedforwardControl
AI
PID
AOCascadeControl
AI
PID
AI
PID
AORatio
Control
AI
R
AI
PID
AO
Split RangeControl
AO
BG BG
Feedback Control
AI PID AO
AI
PID
AO
OverrideControl
CS
AI
PID
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FIELDVUE
AO
BKCAL_OUT
CAS_IN
AIOUT
TraditionalCONTROLSYSTEM
Valve
Transmitter
PID IN
OUT
BKCAL_IN
Input Board Output Board
Controller
Measure SignalProcessing
SignalProcessing
Actuate
Regolazione
Function Blocks …..nell’uso tradizionale
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Function Blocks….nella soluzione FF
massima flessibilità
PID IN
OUT
BKCAL_IN
Host
FIELDVUE
AO
BKCAL_OUT
CAS_IN
Valvola
AIOUT
Trasmettitore
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4 -20 mA 4 -20 mA
AIAI
PIDPID
AIAI AOAO
PIDPID
4 -20 mA
Function Blocks….Controllo di Cascata Convenzionale
I/O Cards
DCS
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Function Blocks….Controllo di Cascata con FF
AIAI
AIAI
PIDPID Fieldbus
PIDPID
AOAO
OUT
BKCAL_IN
OUT
BKCAL_OUT
BKCAL_IN
CAS_IN
OUT
CAS_IN
INOUT
INOUTAI_1
AI_2
PID_1(Master)
AO
PID_2(Slave)
BKCAL_OUT
DCS
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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
• E’ anche necessario verificare il loro ‘Execution Time’
per capire se sono adeguati alle perfomance di controllo
richieste
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Fieldbus Data Sheet (example) Tag Number:_______________________________
Basic Fieldbus Function Blocks Advanced Function Blocks Segment Information
Analog Input (AI) Number
_________ Execution Time (msec)
Pulse Input (PI) Execution Time (msec) Device:
Discrete Input (DI) Number
Execution Time (msec)
Complex Discrete Output (CDO)
Execution Time (msec)
Segment #:
Bias (B) Execution Time (msec) Device Control (DC)
Execution Time (msec)
LAS Capable: YES NO
Manual Loader (ML)
Execution Time (msec)
Integrator (I) Execution Time (msec) Device current draw (mA):
Device Minimum Voltage:
Proportional/Integral/Derivative (PID)
Execution Time (msec)
Analog Human Interface (AHI)
Execution Time (msec)
Device capacitance:
Polarity Sensitive: YES NO
Analog Output (AO) Number
Execution Time (msec)
Input Selector (IS) ____ Execution Time (msec) Segment terminator location:
Discrete Output (DO) ___ Number
Execution Time (msec)
Lead Lag Controller (LL)
Execution Time (msec)
VCR’s:
DD Revision:
Control Selector (CS)
Execution Time (msec)
Signal Splitter (SS) Execution Time (msec) CCF Revision:
Proportional/Derivative (PD)
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)
Execution Time (msec)
Signal Characterizer (SC)
Execution Time (msec)
Digital Human Interface (DHI)
Execution Time (msec)
______________ ______ Execution Time (msec)
Notes
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Struttura di un Trasmettitore FF
Device
VFD
Analog Input Block
Digital Input Block
Channel
Channel
Link
Link
CAP
Competenza dello Strumentista DAP (Device Application Process)
Competenza Dell’ingegneria di Controllo CAP (Control Application Process)
Transducer Block(s)
ResourceBlock
(Only 1)
DAP
Physical I/O
PID BlockLink
Link
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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)
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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)
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• 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
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il Macrociclo
CAS_IN AO
BK_CAL OUT
PIDBK_CAL IN
OUT
IN
OUTAI
Device 1
Device 2
DISP
Device 3
IN
IN
IN
OUTAI
Device 4
tAIN
AIN
UNSCHEDULED
Request/ResponseCommunication(Unscheduled)VCR1
VCR2
PID
AOUT
DISP
MacroCycle
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Sistema Deterministico
AIN
AIN
PID
AO
DISP
AIN
AIN
DISP
PID
AO
Unscheduled
AIN
AIN
PID
DISP
AO
AIN
AIN
PID
DISP
AO
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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”
LAS
H1 Fieldbus
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
LINK MASTERDEVICE (primary)
LINK MASTERDEVICE (back-up)
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La funzione Backup LAS
LAS
H1 Fieldbus
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
LINK MASTERDEVICE (primary)
LINK MASTERDEVICE (back-up)
LAS
(primary )
• 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
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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+DD
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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+DD
CFF
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Vantaggi dei Fieldbus
Controller Controller
I/OSubsystem
Traditional
One VariableOne direction Multiple Variables
Both directions
Fieldbus
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Controller Controller
I/OSubsystem
Traditional
View stops at I/OSubsystem View extends into
Instrument
Fieldbus
Instrument extendsto view process
Vantaggi dei Fieldbus
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Controller Controller
I/OSubsystem
FieldbusPID
AO
AI
Traditional
Some Controls and I/O canmove to field Instruments
AIAO
PID
Vantaggi dei Fieldbus
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Controller Controller
I/OSubsystem One I.S. barrier, One Wire
for many Devices
I.S. I.S. I.S.
Traditional
One I.S. barrierOne Wire I.S.
Fieldbus
Vantaggi dei Fieldbus
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Analog / Digital communication
Quali sono le differenze tra una comunicazione analogica e una digitale nell’automazione di processo ?
• 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
analog digital
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Test comparativi di controllo in campo e tradizionale
Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process
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Test comparativi di controllo in campo e tradizionale
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Sorgente
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Grazie
Domande?