Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4…20 mA ... · Il segnale analogico 4-20 mA è...

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

FF

Ital

ia -

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Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005

MAURO ROMAGNOLIProduct Manager

Specialista Comunicazioni digitali per strumentazione da campoABB 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:

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� 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 topo logia di rete, tipo di cavo, numero di

strumenti etc…etc

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Energia disponibile

Topologie di collegamento

Funzionalità

Differenze Principali con la tecnologia 4..20 mA F

F It

alia

-3


Funzionalità

Configurazione

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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 disponibileF

F It

alia

-4


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.

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�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

Host Interface

Host Interface

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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HSE Fieldbus

I/O Interface

Ethernet Field Device

LinkingDevice

Interface

H1 Fieldbus

H1 Fieldbus

Controller

I/O Interface

Controller

4..20 mA

45.2 °C89.1 m

bar

89.1 mbar45.2 °C

512 m3/h

512 m3/h

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Topologie Fieldbus

H1 Segment

Bus with Spurs

H1 Segment

Junction Box

Tree

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Junction Box

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)

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• 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”

BloccoRisorse

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BlocchiFunzione

Blocco Trasduttore

FieldbusFOUNDATION™

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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)

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• 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 Fun zione

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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

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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

• 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

Standard Function Blocks

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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

• 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

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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

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• 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

AOInput

OutputManualControl

AI

PID

AORatio

Control

AI

R

AI

PID

Feedback Control

AI PID AO

AI

PID

AI

PID

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AI

PID

AO

AI

DI

FeedforwardControl

AI

PID

AOCascadeControl

AI

PID

PID

AO

Split RangeControl

AO

BG BG

PID

AO

OverrideControl

CS

PID

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ValvePIDIN

OUT

BKCAL_IN

Controller

Regolazione

Function Blocks …..nell’uso tradizionaleF

F It

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FIELDVUE

AO

BKCAL_OUT

CAS_IN

AIOUT

TraditionalCONTROLSYSTEM

Valve

Transmitter

PIDIN

Input Board Output BoardMeasure Signal

ProcessingSignalProcessing

Actuate

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Function Blocks….nella soluzione FF

Host

ValvolaTrasmettitore

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massima flessibilità

PIDIN

OUT

BKCAL_INFIELDVUE

AO

BKCAL_OUT

CAS_IN

AIOUT

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PID PID

Function Blocks….Controllo di Cascata Convenzionale

DCS

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4 -20 mA 4 -20 mA

AI

PID

AI AO

PID

4 -20 mA

I/O Cards

DCS

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Function Blocks….Controllo di Cascata con FF

DCS

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AI

AI

PID Fieldbus

PID

AO

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

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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

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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:

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� 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

AnalogInputBlock

Channel Link

Competenza dello StrumentistaDAP (Device Application Process)

Transducer

ResourceBlock

(Only 1)

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Block

DigitalInputBlock

Channel Link

CAP

Competenza Dell’ingegneria di ControlloCAP (Control Application Process)

TransducerBlock(s)

(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

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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

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• 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.

LAS (Link Active Scheduler)…..i tipi di ComunicazioniF

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• 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

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il Macrociclo

PIDBK_CAL IN

OUT

IN

OUTAI

Device 1

Device 2

Device 3

IN

Device 4

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CAS_IN AO

BK_CAL OUT

DISPIN

IN

IN

OUTAI

tAIN

AIN

UNSCHEDULED

Request/ResponseCommunication(Unscheduled)VCR1

VCR2

PID

AOUT

DISP

MacroCycle

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Sistema Deterministico

DISP

Unscheduled

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AIN

AIN

PID

AO

DISP

AIN

AIN

DISP

PID

AO

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”F

F It

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LAS

H1 Fieldbus

BASICDEVICE

BASICDEVICE

BASICDEVICE

BASICDEVICE

LINK MASTERDEVICE (primary)

LINK MASTERDEVICE (back-up)

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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

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LAS

H1 Fieldbus

BASICDEVICE

BASICDEVICE

BASICDEVICE

BASICDEVICE

LINK MASTERDEVICE (primary)

LINK MASTERDEVICE (back-up)

LAS

(primary )

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)

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⇒ ON-LINE configuration+

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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……..

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⇒ OFF-LINE configuration+

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Vantaggi dei Fieldbus

Controller ControllerTraditional

One VariableOne direction

Fieldbus

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I/OSubsystem

One direction Multiple VariablesBoth directions

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Controller ControllerTraditional

View stops at I/OSubsystem

Fieldbus

Vantaggi dei FieldbusF

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I/OSubsystem

Subsystem View extends into Instrument

Instrument extendsto view process

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Controller Controller FieldbusPID

Traditional

Some Controls and I/O can


F It

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I/OSubsystem

AO

AI

Some Controls and I/O canmove to field Instruments

AIAO

PID

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Controller ControllerTraditional Fieldbus


F It

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I/OSubsystem One I.S. barrier, One Wire

for many Devices

I.S. I.S. I.S.

One I.S. barrierOne Wire I.S.

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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)

• Può essere trasmessa più di una variabile di processo

analog digital

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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

• 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

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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

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• 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

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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

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• 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 V V VS

-1.17549435 E-38 ... 3.40282347E398 Bits for status description accordingto NAMUR NE107

0 – 127 Bad / Uncertain128 – 191 Good / Maintenance

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Sommario dei vantaggi

Riduzione di:• Cavi e Armadi di connessione• I.S. Barriers• Input / Output Converters

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ia -

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• Alimentatori ed Armadi• Spazio per sale di controllo dell’impianto

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Test comparativi di controllo in campo e tradizionaleF

F It

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Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process

Italia

Test comparativi di controllo in campo e tradizionale F

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Italia

SorgenteF

F It

alia

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Italia

Grazie

Domande?

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Domande?

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