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

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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)


Segment #:

Bias (B) Execution Time (msec) Device Control (DC)


LAS Capable: YES NO

Manual Loader (ML)


Integrator (I) Execution Time (msec) Device current draw (mA):

Device Minimum Voltage:

Proportional/Integral/Derivative (PID)


Analog Human Interface (AHI)


Device capacitance:

Polarity Sensitive: YES NO

Analog Output (AO) Number


Input Selector (IS) ____ Execution Time (msec) Segment terminator location:

Discrete Output (DO) ___ Number


Lead Lag Controller (LL)


VCR’s:

DD Revision:

Control Selector (CS)


Signal Splitter (SS) Execution Time (msec) CCF Revision:

Proportional/Derivative (PD)


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)


Set Point Ramp Generator (SRG)


Signal Characterizer (SC)


Digital Human Interface (DHI)


______________ ______ 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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I/OSubsystem

Traditional

View stops at I/OSubsystem View extends into

Instrument

Fieldbus

Instrument extendsto view process


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I/OSubsystem

FieldbusPID

AO

AI

Traditional

Some Controls and I/O canmove to field Instruments

AIAO

PID


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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


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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

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