Italia Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4…20 mA e Foundation Fieldbus FF Italia - 1 MAURO ROMAGNOLI Product Manager Specialista Comunicazioni digitali per strumentazione da campo ABB SpA Measurement Products Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Cos‘è Fieldbus Foundation Italia 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 FF Italia - 2 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 Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Differenze Principali con la tecnologia 4..20 mA Italia Energia disponibile Topologie di collegamento Funzionalità FF Italia - 3 Configurazione Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Energia disponibile 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 Normal Operation 3.6 3.7 3.8 (-1.25%) (103.125%) 20.5 22.0 FF Italia - 4 Analog Output saturated Device malfunction Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Energia disponibile Italia • 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. FF Italia - 5 • 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! Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Topologie di Collegamento Italia 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 Controller Controller Linking Device H1 Fieldbus 4..20 mA FF Italia - 6 HSE Fieldbus 512 m3/h 89.1 mbar 45.2 °C I/O Interface Ethernet Field Device I/O Interface H1 Fieldbus 45.2 °C 89.1 mbar 512 m3/h Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Topologie Fieldbus Italia Tree Bus with Spurs H1 Segment H1 Segment Junction Box Daisy Chain MISTA !! H1 Segment H1 Segment Tree FF Italia - 7 Bus & Spur SCONSIGLIATA !!! Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Funzionalità distintive di FF Italia • 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 FF Italia - 8 • I files DD e CFF Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Struttura a “Blocchi” dati in strumenti FF Italia Gli strumenti FF contengono molte variabili e informazioni distribuite/mappate in diversi “Blocchi” Blocco Risorse Fieldbus Blocchi Funzione FF Italia - 9 Blocco Trasduttore FOUNDATION™ Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Gli strumenti FF hanno almeno 3 “Blocchi” Italia • 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. FF Italia - 10 In aggiunta possono esserci molti altri Blocchi Funzione Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks…..Cosa sono e cosa fanno? Italia • 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 Algorithm FF Italia - 11 Inputs Outputs Mode Structure (Manual, Auto, etc...) Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks…. Quali e quanti sono? Italia Standard Function Blocks Input Class • • • • • AI DI MAI MDI PUL analog input discrete input multiple analog input multiple discrete input pulse input FF Italia - 12 Control and Calculate Class • • • • • • • • • • PID PID control EPID enhanced PID APID advanced PID ARTHarithmetic SPLT splitter CHAR signal characterizer INTG integrator/totalizer AALManalog alarm ISEL input selector SPG setpoint ramp generator • • • • • • • • • • TIME timer and logic LLAG lead-lag OSDLoutput selector / dynamic limiter DENSdensity 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 Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks….. Come si usano? Italia • 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 FF Italia - 13 controllo distribuito in campo Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Applicazioni Tipiche Italia AI DI M AI AI AI Input DO Output AI AO Feedback Control AO AO PID Manual Control R Ratio Control AI PID AI AI AI PID PID PID AO AI BG BG CS AO AO AO AI PID DI AO Feedforward AO Control Split Range Control Override Control FF Italia - 14 Cascade Control PID PID Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks …..nell’uso tradizionale Italia Regolazione Controller BKCAL_IN IN OUT Valve PID Transmitter BKCAL_OUT CAS_IN OUT AI FF Italia - 15 Measure FIELDVUE Input Board Signal Processing Traditional CONTROL SYSTEM AO Output Board Signal Processing Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Actuate Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks….nella soluzione FF Italia Host Valvola Trasmettitore BKCAL_IN OUT FF Italia - 16 AI IN OUT PID BKCAL_OUT FIELDVUE CAS_IN AO massima flessibilità Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks….Controllo di Cascata Convenzionale Italia DCS PID PID AI AI I/O Cards AO 4 -20 mA 4 -20 mA FF Italia - 17 4 -20 mA Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks….Controllo di Cascata con FF Italia DCS Fieldbus PID AI AO AI PID BKCAL_IN AI_1 OUT IN PID_1 (Master) BKCAL_OUT OUT FF Italia - 18 CAS_IN AI_2 OUT IN PID_2 (Slave) OUT OUT AO CAS_IN BKCAL_OUT BKCAL_IN Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Function Blocks..Ma cosa cambia per gli strumenti? Italia • 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 FF Italia - 19 richieste Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Fieldbus Data Sheet (example) Tag Number:_______________________________ Italia Basic Fieldbus Function Blocks Number Analog Input (AI) Advanced Function Blocks Pulse Input (PI) Segment Information Execution Time (msec) Device: _________ Execution Time (msec) Discrete Input (DI) Number Bias (B) Execution Time (msec) Segment #: Complex Discrete Output (CDO) Execution Time (msec) Execution Time (msec) LAS Capable: YES Device Control (DC) NO Execution Time (msec) Integrator (I) Manual Loader (ML) Execution Time (msec) Proportional/Integral/Derivative (PID) Number Device capacitance: Analog Human Interface (AHI) Execution Time (msec) Analog Output (AO) Device current draw (mA): Device Minimum Voltage: Execution Time (msec) Execution Time (msec) Polarity Sensitive: YES NO Input Selector (IS) ____ Execution Time (msec) Segment terminator location: Lead Lag Controller (LL) VCR’s: Execution Time (msec) Discrete Output (DO) ___ Number Execution Time (msec) DD Revision: Signal Splitter (SS) Execution Time (msec) CCF Revision: Timer (T) Execution Time (msec) ITK Version: Arithmetic (A) Execution Time (msec) Notes Digital Alarm (DA) Execution Time (msec) Calculate (C) Execution Time (msec) Execution Time (msec) Control Selector (CS) Execution Time (msec) Proportional/Derivative (PD) Execution Time (msec) Ratio (R) Execution Time (msec) Analog Alarm (AA) Deadtime (D) Execution Time (msec) Execution Time (msec) Complex Analog Output (CAO) Time (msec) Execution Complex Analog Output (CAO) Execution Time (msec) Set Point Ramp Generator (SRG) Execution Time (msec) FF Italia - 20 Signal Characterizer (SC) Execution Time (msec) Digital Human Interface (DHI) Execution Time (msec) ______________ ______ Execution Time (msec) Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Struttura di un Trasmettitore FF Italia Competenza dello Strumentista DAP (Device Application Process) Device VFD Resource Block (Only 1) Physical I/O Channel Transducer Block(s) Digital Input Block Link FF Italia - 21 Link CAP Channel DAP Analog Input Block Link PID Block Link Competenza Dell’ingegneria di Controllo CAP (Control Application Process) Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 LAS (Link Active Scheduler)….. Cos’è ? Italia • 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 FF Italia - 22 • Può essere immaginata come quella del “direttore d’orchestra” che coordina gli “orchestrali” (strumenti da campo) che devono seguire uno “spartito” (Macrociclo) Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 LAS (Link Active Scheduler)….. a Cosa serve? Italia • 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 FF Italia - 23 anche negli strumenti da campo (Backup LAS) Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 LAS (Link Active Scheduler)…..i tipi di Comunicazioni Italia • 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” FF Italia - 24 tra loro • Esclusivamente dedicate alla realizzazione del Controllo di Processo Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 il Macrociclo Italia Device 1 AI OUT Device 2 OUT IN Device 3 PID BK_CAL IN Device 4 IN AI IN OUT DISP BK_CAL OUT IN CAS_IN VCR2 DISP UNSCHEDULED AOUT AIN FF Italia - 25 PID VCR1 AIN AO Request/Response Communication (Unscheduled) MacroCycle t Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Sistema Deterministico Italia Unscheduled DISP AIN DISP AIN AIN AO AO PID PID AO PID AIN PID AIN FF Italia - 26 AIN DISP AIN AO AIN DISP Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 H1 - ridondanza del “LAS” Italia Sistema Multimaster • • FF distingue 2 tipi di strumentazione: “Link Master“ e “Basic“ Solo strumenti “Link Master“ supportano la funzione di Backup-LAS H1 Fieldbus LAS LINK MASTER DEVICE (primary) BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER DEVICE (back-up) BASIC DEVICE FF Italia - 27 BASIC DEVICE Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 La funzione Backup LAS Italia • 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 LINK MASTER DEVICE (primary) BASIC DEVICE BASIC DEVICE LINK MASTER (primary ) DEVICE (back-up) BASIC DEVICE FF Italia - 28 BASIC DEVICE LAS Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Device Description (DD) Italia 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) FF Italia - 29 + ⇒ ON-LINE configuration Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Capability File (CFF) Italia 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…….. FF Italia - 30 + ⇒ OFF-LINE configuration Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Vantaggi dei Fieldbus Italia Controller Traditional One Variable One direction Fieldbus Multiple Variables Both directions FF Italia - 31 I/O Subsystem Controller Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Vantaggi dei Fieldbus Italia Controller Traditional View stops at I/O Subsystem FF Italia - 32 I/O Subsystem Fieldbus Controller View extends into Instrument Instrument extends to view process Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Vantaggi dei Fieldbus Italia Traditional Controller Fieldbus Controller PID I/O Subsystem Some Controls and I/O can move to field Instruments AO AI PID AO FF Italia - 33 AI Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Vantaggi dei Fieldbus Italia Controller Traditional I/O Subsystem I.S. I.S. Fieldbus One I.S. barrier, One Wire for many Devices I.S. FF Italia - 34 I.S. One I.S. barrier One Wire Controller Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Analog / Digital communication Italia 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) • 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 FF Italia - 35 • 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 Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Sommario del confronto Italia • 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 FF Italia - 36 – 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 Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Sommario dei vantaggi Italia • 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 S V V 8 Bits for status description according to NAMUR NE107 FF Italia - 37 0 – 127 128 – 191 V V -1.17549435 E-38 ... 3.40282347E39 Bad / Uncertain Good / Maintenance • 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 Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Sommario dei vantaggi Italia Riduzione di: Cavi e Armadi di connessione I.S. Barriers Input / Output Converters Alimentatori ed Armadi Spazio per sale di controllo dell’impianto FF Italia - 38 • • • • • Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Test comparativi di controllo in campo e tradizionale FF Italia - 39 Italia Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Test comparativi di controllo in campo e tradizionale FF Italia - 40 Italia Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Sorgente FF Italia - 41 Italia Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005 Italia Grazie FF Italia - 42 Domande? Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005