Specialista Comunicazioni digitali per strumentazione da campo 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

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

Topologie di collegamento Funzionalità Configurazione Differenze Principali con la tecnologia 4..20 mA Energia disponibile Topologie di collegamento Funzionalità Configurazione

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

Comunicazione con modulazione in corrente a ±9mA! 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!

Topologie di Collegamento 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 ingegneristico Le schede di I/O spariscono perche la loro funzione Analog Input (AI) migra all’interno dello strumento stesso Host Interface Host Interface Ethernet Field Device Controller HSE Fieldbus Controller 512 m3/h Linking Device 89.1 mbar 45.2 °C I/O Interface I/O Interface H1 Fieldbus H1 Fieldbus 4..20 mA 45.2 °C 512 m3/h 89.1 mbar 6

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

I Blocchi Funzione (Function Blocks) 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 8

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

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 10

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 Inputs Algorithm Outputs Mode Structure (Manual, Auto, etc...)

Function Blocks…. Quali e quanti sono? Standard Function Blocks 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

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

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

Function Blocks …..nell’uso tradizionale Regolazione Controller PID IN OUT BKCAL_IN Valve FIELDVUE Transmitter BKCAL_OUT Let’s talk about where functions occur. In fact, they’re moving around. Again, back in the late 1970’s, where functions occurred were very much fixed in space. Didn’t more around at all. This is how it ALWAYS happened. The transmitter measured, that’s all it did. It sent the signal in 4 to 20 mA to the Input Board, which ALWAYS did the signal processing. It took that 4 to 20 mA signal, it’s the guy that did the analog to digital conversation and perhaps some filtering, maybe some alarming, and that’s it. The controller was always, always, always the one who did the control algorithm. Okay? Once the PID function, or other algorithm had been done by the controller, he would then send it out to the output board, the output board ALWAYS did the digital back to analog conversion, and the only thing the valve did was actuate, that’s it. No moving around. That’s how things worked in the late 1970’s. CAS_IN OUT AI AO Traditional CONTROL SYSTEM Input Board Output Board Actuate Measure Signal Processing Signal Processing 15

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

DCS I/O Cards Function Blocks….Controllo di Cascata Convenzionale PID AI AI AO 4 -20 mA 4 -20 mA 4 -20 mA 17 18

Function Blocks….Controllo di Cascata con FF DCS AI AI PID Fieldbus PID AO OUT BKCAL_IN BKCAL_OUT CAS_IN IN AI_1 AI_2 PID_1 (Master) AO PID_2 (Slave) 18 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 E’ anche necessario verificare il loro ‘Execution Time’ per capire se sono adeguati alle perfomance di controllo richieste

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

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)

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)

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 Esclusivamente dedicate alla realizzazione del Controllo di Processo

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

Sistema Deterministico Unscheduled AIN PID DISP AO AIN PID DISP AO PID DISP DISP AIN AIN AO AO PID AIN

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 LAS H1 Fieldbus BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (primary) DEVICE (back-up) 27

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

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) + DD ON-LINE configuration

+ configuration DD CFF Capability File (CFF) OFF-LINE 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…….. + DD CFF OFF-LINE configuration

Vantaggi dei Fieldbus Traditional Fieldbus Controller One Variable Subsystem Traditional One Variable One direction Multiple Variables Both directions Fieldbus

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

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

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

Analog / Digital communication Quali sono le differenze tra una comunicazione analogica e una digitale nell’automazione di processo ? analog digital 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

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 300.45 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

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 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 V S -1.17549435 E-38 ... 3.40282347E39 8 Bits for status description according to NAMUR NE107 0 – 127 Bad / Uncertain 128 – 191 Good / Maintenance

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

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

Test comparativi di controllo in campo e tradizionale

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