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FF Italia - 1 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale.

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1 FF Italia - 1 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 FF Italia - 2 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Cosè Fieldbus Foundation Un Protocollo di comunicazione digitale aperto progettato per soddisfare le necessità dellIndustria 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 lautomazione di fabbrica ** max lunghezza dipende da diversi fattori quali topologia di rete, tipo di cavo, numero di strumenti etc…etc

3 FF Italia - 3 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Energia disponibile Topologie di collegamento Funzionalità Configurazione Differenze Principali con la tecnologia mA

4 FF Italia - 4 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 Analog Output saturated 3.8 (-1.25%) ( %) 20.5 Normal Operation 3.6

5 FF Italia - 5 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 FF Italia - 6 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Topologie di Collegamento HSE Fieldbus I/O Interface Ethernet Field Device Linking Device Host Interface H1 Fieldbus Controller I/O Interface Host Interface Controller mA 45.2 °C 89.1 mbar 45.2 °C 512 m3/h 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 allinterno dello strumento stesso

7 FF Italia - 7 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Topologie Fieldbus H1 Segment Bus with Spurs H1 Segment Junction Box Tree H1 Segment SCONSIGLIATA !!! Daisy Chain H1 Segment Bus & Spur Tree MISTA !!

8 FF Italia - 8 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 FF Italia - 9 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Struttura a Blocchi dati in strumenti FF

10 FF Italia - 10 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 FF Italia - 11 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 Outputs Inputs Mode Structure (Manual, Auto, etc...) Algorithm

12 FF Italia - 12 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Function Blocks …. Quali e quanti sono? Input Class AIanalog input DIdiscrete input MAImultiple analog input MDImultiple discrete input PULpulse input Control and Calculate Class PIDPID control EPIDenhanced PID APIDadvanced PID ARTHarithmetic SPLTsplitter CHARsignal characterizer INTGintegrator/totalizer AALManalog alarm ISELinput selector SPGsetpoint ramp generator TIMEtimer and logic LLAGlead-lag OSDLoutput selector / dynamic limiter DENSdensity CTconstant FFETflip-flop and edge trigger MBCSmodbus control slave MBSSmodbus supervision slave MBCM modbus control master MBSM modbus supervision master Output Class AOanalog output DOdiscrete output MAOmultiple analog output MDOmultiple discrete output STEPstep output PID Standard Function Blocks

13 FF Italia - 13 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 FF Italia - 14 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Applicazioni Tipiche AIDI AODO M AO Input Output Manual Control AI PID AO AI DI Feedforward Control AI PID AO Cascade Control AI PID AI PID AO Ratio Control AI R PID AO Split Range Control AO BG Feedback Control AIPIDAO AI PID AO Override Control CS AI PID

15 FF Italia - 15 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia AO BKCAL_OUT CAS_IN AI OUT Traditional CONTROL SYSTEM Valve Transmitter PID IN OUT BKCAL_IN Input BoardOutput Board Controller Measure Signal Processing Signal Processing Actuate Regolazione Function Blocks …..nelluso tradizionale

16 FF Italia - 16 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Function Blocks…. nella soluzione FF massima flessibilità PID IN OUT BKCAL_IN Host FIELDVUE AO BKCAL_OUT CAS_IN Valvola

17 FF Italia - 17 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia mA AI PID AI AO PID mA Function Blocks ….Controllo di Cascata Convenzionale I/O Cards DCS

18 FF Italia - 18 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Function Blocks ….Controllo di Cascata con FF AI PID Fieldbus PID AO OUT BKCAL_IN OUT BKCAL_OUT BKCAL_IN CAS_IN OUT CAS_IN IN OUT INOUT AI_1 AI_2 PID_1 (Master) AO PID_2 (Slave) BKCAL_OUT DCS

19 FF Italia - 19 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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

20 FF Italia - 20 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia

21 FF Italia - 21 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Struttura di un Trasmettitore FF Device VFD Analog Input Block Digital Input Block Channel Link CAP Competenza dello Strumentista DAP (Device Application Process) Competenza Dellingegneria di Controllo CAP (Control Application Process) Transducer Block(s) Resource Block (Only 1) DAP Physical I/O PID Block Link

22 FF Italia - 22 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia LAS (Link Active Scheduler) ….. Cosè ? 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 dorchestra che coordina gli orchestrali (strumenti da campo) che devono seguire uno spartito (Macrociclo)

23 FF Italia - 23 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia LAS (Link Active Scheduler) ….. a Cosa serve? Il LAS si occupa di Auto-rilevazione degli strumenti connessi sul bus (live List) Assegnamento automatico dellindirizzo 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 FF Italia - 24 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Unscheduled (asincrone) –Client Server (one to one) Usata per messaggi di Configurazione / Manutenzione / Monitoring degli strumenti Trasmesse solo su intervento/richiesta delloperatore –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 FF Italia - 25 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia il Macrociclo CAS_IN AO BK_CAL OUT PID BK_CAL IN OUT IN OUT AI Device 1 Device 2 DISP Device 3 IN OUT AI Device 4 t AIN UNSCHEDULED Request/Response Communication (Unscheduled) VCR1 VCR2 PID AOUT DISP MacroCycle

26 FF Italia - 26 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Sistema Deterministico AIN PID AO DISP AIN DISP PID AO Unscheduled AIN PID DISP AO AIN PID DISP AO

27 FF Italia - 27 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 BASIC DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) LINK MASTER DEVICE (back-up)

28 FF Italia - 28 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia La funzione Backup LAS LAS H1 Fieldbus BASIC DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) LINK MASTER DEVICE (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

29 FF Italia - 29 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Device Description (DD) Il Device Description è una descrizione estesa di ogni oggetto/parametro allinterno 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

30 FF Italia - 30 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Capability File (CFF) Il Capability File descrive le risorse dello strumento tipo: Numbero e tipi di Function Blocks Tempo desecuzione dei Function Blocks (Execution Time) Settaggio di default dei parametri/oggetti deiFunction blocks…….. OFF-LINE configuration + DD CFF

31 FF Italia - 31 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Vantaggi dei Fieldbus Controller I/O Subsystem Traditional One Variable One direction Multiple Variables Both directions Fieldbus

32 FF Italia - 32 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Controller I/O Subsystem Traditional View stops at I/O Subsystem View extends into Instrument Fieldbus Instrument extends to view process Vantaggi dei Fieldbus

33 FF Italia - 33 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Controller I/O Subsystem Fieldbus PID AO AI Traditional Some Controls and I/O can move to field Instruments AI AO PID Vantaggi dei Fieldbus

34 FF Italia - 34 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Controller I/O Subsystem One I.S. barrier, One Wire for many Devices I.S. Traditional One I.S. barrier One Wire I.S. Fieldbus Vantaggi dei Fieldbus

35 FF Italia - 35 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Analog / Digital communication Quali sono le differenze tra una comunicazione analogica e una digitale nellautomazione di processo ? 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 duscita 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

36 FF Italia - 36 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Sommario del confronto Sparisce il segnale duscita 4…20 mA e relativo convertitore D to A La funzione dellI/O Card che, in sala controllo, converte il segnale 4…20 mA in formato digitale migra allinterno 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 duscita in quanto lo strumento fieldbus misura e trasmette in formato digitale tutto quello che è allinterno dei limiti fisici del sensore……il settaggio del campo duscita 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 lutente o il DCS ma non ha effetto sui calcoli

37 FF Italia - 37 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia 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 Integrazione fra Local Devices/Control System Migliore precisione dovuta allassenza di conversioni A/D e D/A Minore ritardo di aggiornamento/propagazione dellinformazione dovuto a minor numero di elementi tra lo strumento ed il DCS Maggiore Flessibilità V V V V S E E 39 8 Bits for status description according to NAMUR NE107 0 – 127 Bad / Uncertain 128 – 191 Good / Maintenance

38 FF Italia - 38 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Sommario dei vantaggi Riduzione di: Cavi e Armadi di connessione I.S. Barriers Input / Output Converters Alimentatori ed Armadi Spazio per sale di controllo dellimpianto

39 FF Italia - 39 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Test comparativi di controllo in campo e tradizionale Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process

40 FF Italia - 40 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Test comparativi di controllo in campo e tradizionale

41 FF Italia - 41 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Sorgente

42 FF Italia - 42 ROMA 17-Ottobre-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Grazie Domande?


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