Foundation Fieldbus Lehetőség és Valóság

MOL Dunai Finomító

Foundation Fieldbus – Lehetőség és Valóság Dr. Jónap Károly tudományos főmunkatárs Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet Műszerfejlesztési és Informatikai Osztály

1

FF Seminar Hungary Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Miért lehetőség és valóság? Rajtunk múlik

q Történeti áttekintés – egy kicsit másképpen q Miért Foundation Fieldbus? q Feladat végrehajtás q Mérések a rendszereken q Diagnosztika q EDDL vagy FDT? q Képzés és tréning

2


Irányítási struktúrák változása Jövőkép a 70-es évekből Technológia Érzékelők Műszerszoba

analóg jel

1 Típusú

Beavatkozók Technológia

Műszerszoba

digitális kommunikáció

Érzékelők

Terepi vezérlő terem

Beavatkozók Terepi vezérlő

Technológia

Műszerszoba


2 Típusú

analóg jel

Terepi vezérlő terem

Érzékelők


3 Típusú


Terepi vezérlő

Beavatkozók Lokális vezérlő

Irányító, felügyeleti terem


Központi vezérlő terem

MAP

Technológia

4 Típusú

MAP

Lokális vezérlő 3

Terepi busz

Terepi busz FF Seminar Hungary Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Számítógépes irányítási rendszerek A fejlődés iránya

q

Számítógépes irányítás – PC bevezetése

q

PLC megjelenése

q

Hálózatra épülő irányítási rendszerek q SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition q DCS – Distributed Control System q FCS – Field Control System q PCS – Process Control System q CPAS – Collaborative Process Automation System

q

4

Lokális irányító rendszerek

Cél:

meghatározni, hogy mire képes az új technológia

Feladat:

elemzési és vizsgálati módszerek kidolgozása FF Seminar Hungary Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Egy „teljes” DCS struktúra SCADA, DCS, FCS, SIL

SAP , Oracle Asset Portal

Vezetői információs rendszer Management Information System

Vállalat irányítási rendszer Management Control System

Vállalat irányítási szint Plant Control Level

Vállalatirányítási hálózat - Plant Management Network

Human Machine Interface Man Machine Inreface Wireless Rx Vevő

Hálózati kapcsoló Router

Kezelői munkaállomás Operator Station

Internetes kapcsolat WEB server

Router

Alarm Manager Loop Audit Abnormal Situation Managaement

Configuration Control Builder Diagnostic Mérnöki munkaállomás Engineering Station

Üzemfenntartási munkaállomás Asset Management Solution Station Kezelői szint Operator Level

Folyamatirányítási hálózat - DCS Network

AC /DC táplálás Busz táplálás I.S. elválasztás Ex

PID Advanced Process Control Wireless Rx Vevő

Busz illesztő

Vezérlő állomás Field Control Station

Rádiós átvitel

SIS SIL

HAZOP

Biztonsági vezérlő Fail Safe Controller

ESD Vészleállító egység Emergency Shut Down

Programozható logikai vezérlő / PLC

Táplálás

OPC Adatgyűjtés + szolgáltatás OPC Kapcsolat OPC server Secure Process LAN DMZ Router Ethernet Token passing Token ring Optical ring

Irányítási szint Control Level Terepi irányítási hálózat – Field Control Network

Wireless Tx Távadó

Távoli elérésű BE/KI egység Remote I/O

Kétállapotú jelek

Analóg jelek

Hajtások

DI és DO jelek

Profibus távadók Nyomás Hőmérséklet Áramlás Szint Analitika stb.

HART távadók Nyomás Hőmérséklet Áramlás Szint Analitika stb.

HART szelepek

FF szelepek

FF távadók Nyomás Hőmérséklet Áramlás Szint Analitika stb.

Foundation Fieldbus Profibus DP, PA RS-485/Modbus HART 4-20 mA

Terepi szint Field Level

Rb alkalmazások és kiegészítő elemek

Technológia

5


Collaborative Process Automation System CPAS

q ARC Advisory Group „javaslat” – Larry O’Brien q Cégek reagálása – kivétel nélkül mindenki q A két busz fejlesztése – terepi és üzemi hálózat

Business Planning & Supply Chain Management Business Functions

Business Work Processes

Ethernet-Based Networks Collaborative Process Automation System

Product Management Function Continuous

Real/Time Control Function

Manufacturing Work Processes

Manufacturing Operations Management Batch

Logic

Safety

Standard Fieldbus & Device Networks

Sensors, Actuators & Logical Devices 6


Az intelligens távadó megjelenése Feladatmegoldás a helyszínen

Funkció blokkok megjelenése § bemeneti § számítási § szabályozási § kimeneti

PID Field Control Station

Field Control Station

Field Control Station

PID

Remote IO

alapjel

számítás FB

beavatkozó

érzékelő

mérés technológiai blokk

technológia

mérés FB

szabályozás FB

beavatkozás FB

beavatkozás technológiai blokk

beavatkozás (technológia függő

mérés (technológia függő)

érzékelő

technológia

folyamathoz kapcsolt alkalmazás (gyakorlatilag technológia független)

7


Várható tendenciák Kommunikáció szerepe

q Hardver ár – jelentősen csökkent (30% alatt) q Fejlett alarm kezelés q Terepi kommunikáció elterjedése – terepi irányítás q DCS és FCS a nagysebességű hálózaton q CPAS – Collaborative Process Automation System q Kína és India belépésének hatása

DCS1

DCS2

önálló feladatmegoldás

8


redundáns, nagysebességű, ipari kommunikációs hálózat

DCSn



Hogyan határozzuk meg a minőséget? Egy módszer

§ § §

9

A meglévő ismeretek alkalmazására épül Objektív megoldás Általános érvényű

5

Speciális alkalmazási területekhez kapcsolódó feladatok

4

Működést nem közvetlenül érintő háttérszolgáltatás

3

A működéshez szükséges támogatás

2

Az irányítás hatékonysági kérdései

1

Feladat végrehajtása


Feladat végrehajtás A legfontosabbak

§ Kétállapotú jelek kezelése • Diszkrét bemenet – DI • Multiplexelt kétállapotú bemenet – MDI • Impulzus bemenet – PI • Diszkrét kimenet – DI • Multiplexelt kétállapotú kimenet – MDI § Mérési feladatok • Analóg bemenet – AI • Multiplexelt analóg bemenet – MAI • Analóg kimenet – AO • Multiplexelt analóg kimenet – MAO

AI

ARTH

AI

bemenet

PID

számítás

szabályozás

AO

kimenet

§ Logikai feladatok • Időzítés és kombinációs logikai függvény (T/C) • Bemeneti csatornaválasztó - IS § Szabályozási feladatok – csak a Foundation Fieldbus rendszerben 10


Be- és kimeneti jelek kezelése Lehetőségek

Bemenetek: Analóg bemenet (AI) Multiplexelt analóg bemenet (MAI)

Irányítási folyamat

Kétállapotú jelek kezelése

Analóg jelek kezelése

Riasztás és vészjelzések kezelése

Kimenetek: Analóg kimenet (AO) Multiplexelt analóg kimenet (MAO)

Technológia

központi vezérlő

4-20 mA

analóg távadó

Logikai függvények és sorrendi vezérlések Szabályozási feladatok

MANLD

központi vezérlő AI

Hajtási feladatok

DCS kommunikáció

AO Központi vezérlő

központi vezérlő

Technológia

FF kommunikáció

RIO

FF távadó

AI

AI

MANLD Központi vezérlő Technológia

4-20 mA

PID

AO

analóg távadó Beavatkozó 11


Egyszerű szabályozás PID algoritmus

Minden funkció blokk a vezérlőben Funkció blokk a vezérlőben és a terepi eszközökben Minden funkció blokk a terepi eszközökben

PID algoritmus a vezérlőben AI

AO

PID

Központi vezérlő Technológia

Vegyes elrendezés PID algoritmus a vezérlőben AO

PID Központi vezérlő

AI

PID

Központi vezérlő

Technológia

Technológia AI

PID

PID

AO

Érzékelő Beavatkozó

Terepi feladat végrehajtás Központi vezérlő Technológia AI

Érzékelő 12

PID

AO

Beavatkozó FF Seminar Hungary Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Összetett szabályozás – 1 Kaszkád szabályozás

Kaszkád szabályozás a vezérlőben PID1

AI1

PID2

AI2

AO

Központi vezérlő

Végrehajtási idő: 100 ms

Eszköz

Megnevezés

Típus

Funkció blokk

TT-101

Hőmérséklet távadó

R-3244

-

PT-201

Nyomástávadó

R-3251

-

PC-302

Szabályozó szelep

DVC5000F

-

DCS

Folyamatirányító r.

DeltaV

AI, AI1295, PID1, PID2, AO

Technológia

„Vegyes” elrendezésű kaszkád

„Terepi” elrendezésű kaszkád Központi vezérlő

AI1

PID1

Technológia

Központi vezérlő AI1

Technológia

AI2

PID2

PID1

AO

AI2 Érzékelő

Makrociklus idő:

13

Beavatkozó

290 ms

AO

PID2

Beavatkozó Érzékelő

Makrociklus idő:

320 ms


Összetett szabályozás – 2 Szplitter szabályozás

Korlátok a feladat végrehajtásban • Nincs SPLT FB • Van SPLT FB, de nem láncolható a terepi eszközben • Flexibilis FB használata • SPLT készítés, vagy „vásárlás”

FC 221 gőz fűtés bemenet

reaktor TT 222

hűtővíz bemenet

TT-222

TC-220

FC-221

BKCAL_IN IN

AI

FCV-200B

BKCAL_OUT OUT

CAS_IN

PID

SPLT

BKCAL_IN_2 OUT_2

BKCAL_IN_1

OUT_1

AO-2 CAS_IN

BKCAL_OUT

CAS_IN

AO-1

FCV-200A

BKCAL_OUT 14


Szplitter példa Vegyes elrendezés

„Vegyes” elrendezésű szplitter GAIN1 PID1

AI1

SPLTR

Végrehajtási idő:

100 ms

Makrociklus idő:

420 ms

GAIN2 Központi vezérlő Technológia AI2

PID2

AO1

AI3

PID3

AO2

Érzékelők

15

Beavatkozók

Eszköz

Megnevezés

Típus

Funkció blokk

PT-201

Nyomástávadó

R-3251

-

TT-101


R-3244

AI2,

TT-102


R-3244

AI3,

TC-301

Szabályozó szelep

DVC5000F

PID2, AO1

PC-302

Szabályozó szelep

DVC5000F

PID3, AO2

DCS

Folyamatirányító r.

DeltaV

AI1, PID1, SPLTR, GAIN1, GAIN2 FF Seminar Hungary Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Lehetőség a gyorsításra Gondos konfigurálás

1. 2.

3244MV 3051T

1. 2.

3051T 3244MV

dT: 20ms

16


Következtetések a feladat végrehajtásra Nem teljes 1. A kétállapotú jelek esetében a hagyományos megoldások előnyösebbek, mert egyrészt a digitális be- és kimenetek a kis mennyiségű adat miatt feleslegesen terhelnék a buszt, másrészt a DI és DO jelek RIO egységbe történő bekötése a vezetékszám szempontjából is előnyösebb. 2. Az analóg jelek terepi buszra kötése kifejezetten előnyös, mert ezzel viszont a központi egységet lehet tehermentesíteni, így az egyéb feladatok (Advanced Control, AMS, stb.) elvégzése hatékonyabban oldható meg. 3. A logikai függvények, és a sorrendi vezérlések területén a terepi megoldások csak vegyes összeállításban jöhetnek számításba, mert a láncolási korlátok miatt a nagyszámú függvény funkció blokkokat nem célszerű a terepi eszközbe letölteni. 4. A szabályozási feladatoknál, az egyszerű PID algoritmusok esetében a terepen végrehajtott szabályozás időszükséglete megegyezik a hagyományos DCS típusú megoldással. Kaszkád és szplitter típusú szabályozás esetében a terepi megoldások hatékonysága jelentősen eltér a hagyományosétól. 5. Alarm feladatok ellátására a terepi eszközök kiválóan alkalmasak (alarm jelek konfigurálásával a végrehajtási idő nem változik), ezért ezek „terepen történő” használata, a forrástól érkezett adat prioritása miatt igen előnyös. FF Seminar Hungary 17

Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Következtetések a ciklusidőre – 1

1. FF kommunikáció esetén a matematikai számítások nem adnak egzakt eredményt, a konfigurálás sorrendjének felcseréléséből adódó eltérések miatt. 2. A ciklusidő alarmok konfigurálása nélkül és alarmokkal együtt ugyanazt az értéket veszi fel, mert az alarmjelzések továbbítása a nem ütemezett kommunikáció időtartama alatt zajlik. 3. A szükséges ciklusidő mértékét mindig a vezérlő egység határozza meg, vagyis számítja ki. 4. Egyszerű szabályozás esetében a vezérlőben futtatott program időszükséglete nem különbözik jelentősen a terepi eszközben végrehajtott program idejétől. 5. A terepen végrehajtott szabályozás időszükséglete mindig jelentősen meghaladja a központi vezérlőben végrehajtott PID algoritmus végrehajtási idejét. 6. Az FF szegmensen egyetlen szabályozókör elhelyezése (konfigurálása) is elegendő lehet ahhoz, hogy egy valóságos, ipari igényt jelentő 250 ms-os makrociklus-idő ne legyen tartható. 18


Következtetések a ciklusidőre – 2 7. Egyértelmű összefüggés van a távadók sebessége és a ciklusidő hossza között. A nagyobb kommunikációs sebességgel rendelkező távadókkal épített szabályozókörök ciklusideje kisebb, mint a hosszabb idejű eszközökkel készítetté. 8. Egyedi kaszkád és szplitter szabályozások esetében a terepi végrehajtás ideje (pl. 420 ms) jelentősen eltér a központi vezérlőben végrehajtott szabályozás (pl. 100 ms) idejétől. Összetett szabályozások esetében nincs ilyen egyértelmű összefüggés. 9. A ciklusidő az eszközök számának növekedésével nő, a növekedés az eszközök számával nem lineáris. A szabályozókörök megduplázása egyrészt nem jelenti a szükséges makrociklus értékének megduplázódását. 10.A megadott elrendezésben a PID hurkokat a vezérlőbe felhozva a szükséges ciklusidő több mint a duplájára növekedett. 11. Nem illeszkedik az eszközök számának növelésével való ciklusidő növekedés folyamatba az a tény, hogy a PID hurkok terepi eszközökbe való visszatöltésekor az eredeti konfigurációhoz képest a szükséges ciklusidő esetleg csökken.

19


Milyen támogatás áll rendelkezésre? Hardver és szoftver eszközök

q Egyszerű diagnosztikai eszközök § Feszültség, áram, ellenállás, kapacitás, stb. mérők § Monitorok a Fizikai réteg vizsgálatra § Oszcilloszkóp § PCMCIA kártya (oszcilloszkóp, kommunikáció teszt) q Kommunikációs vizsgáló eszközök q Szoftver támogatású hibakereső és figyelő eszközök q DCS diagnosztikai eszközök

20


Relcom FBT-6 Fieldbus Monitor Egyszerű, gyors terepi eszköz

ü Buszon: tápfeszültség mérés, DC, jel, zaj, elemszám, kommunikációs hiba ü Zaj mérése alacsony, magas és fieldbus frekvencián ü Árnyékolási hiba mérése ü Az összes eszköz figyelése ü Adat betöltés PC-re USB-n keresztül ü Alkalmazás robbanásveszélyes övezetben

21


DM-AM Mobile Fieldbus Diagnostic Pepperl+Fuchs monitor

q q q q

Fizikai réteg vizsgálata Foundation Fieldbus H1 és Profibus PA rétegekre Használat Zone 2/Class I és Div 2 területen Hibakeresési funkció

PÉLDA

Kerethiba (Framing Error) megjelenítés

22


F809F on-line Fieldbus Diagnosztika MTL-Relcom fejlesztés

Központi számítógép

Instrument Management Software (tartalmazza az FF diagnosztikát)

Tápegység

Controller I/O

On-line diagnosztikai modul

Alarm Fieldbus

q q q q 23

Fizikai réteg diagnosztika Nyolc fieldbus szegmens ellenőrzése A rendszer a H1-en kommunikál Egy tápegység blokk szükséges a nyolc szegmenshez FF Seminar Hungary Budapest - 9 September 2009 © 1994 – 2009 Fieldbus Foundation

Emerson 475 Field Communicator Foundation Fieldbus, HART, Wireless

q Terepi használhatóság (CENELEC/ATEX bizonylat) q Univerzális Foundation Fieldbus és HART kommunikáció q Wireless HART kommunikáció tesztelési lehetőség q Több mint 1000 eszközadat q Bluetooth kommunikáció PC-vel q Illesztési lehetőség AMS-hez q Jó diagnosztikai lehetőségek

24


Ciklusidő mérése Nyomáskompenzált áramlás távadó

National Instruments NI-FBUS Fieldbus Configuration System

25


Nyomáskompenzált áramlás távadó Ciklusidő kiosztás

1. 2.

3244MV 3051T

1. 2.

3051T 3244MV dT: 20ms

26


Háttér szolgáltatások EDDL vagy FDT/DTM

q Versenytársak vagy nem? q EDDL vagy FDT, melyik a jobb? q Új terepi busz háború a láthatáron? q Hova állnak a gyártók? q Milyenek a szolgáltatások? q Te mit választanál? q Tanulni, tanulni, tanulni

27


EDDL jellemzők DD alapú alkalmazás

EDDL – Electronic Device Description Language Speciális szoftverek, egyedi és operációs rendszer függő alkalmazások használatának a kiküszöbölésére Két részből áll: elemleírás, alkalmazás

EDDL jellemzők q DD – Device Description technológián alapszik § § § § §

q q q q

28

Eszközállapot, Diagnosztikai adatok, Funkció blokkok leírása. Adattípusok és paraméterek megadása. FF, HART, PROFIBUS rendszer egyaránt használhatja (nem ugyanaz a DD!)

Már az 1990-es évektől fejlesztik Képek, diagramok, trendek és grafikonok alkalmazása Komoly matematikai feladatok elvégzése Alkalmazás fejlesztési lehetőség


EDDL alkalmazás IEC-61804 sorozat

IEC-61804 sorozat q Alkalmazói blokkok – kezdetben 6 típus FB § § § § § §

Mérő (bemeneti) – AI Analóg beavatkozó (kimeneti) – AO Diszkrét bemeneti – DI On/Off beavatkozó – DO Számítást végző – Calc Szabályozó – PID

q Technológiai blokkok § § § §

Hőmérséklet blokk Nyomás blokk On/Off blokk Beavatkozó blokk

Fildbusz FB specifikációk

Profilok

IEC-61804 EDD jellemzők

IEC-61804 jellemzők

FF alkalmazás

Profibus alkalmazás

HART alkalmazás

Egyéb technológia alkalmazás

Eszköz Implementáció

29


FDT és DTM jellemzők

FDT – Field Device Tools DTM – Device Type Manager Szabványos lehetőséget biztosít az integrált rendszerekhez szükséges szoftver komponensek fejlesztésére Az FDT keretet biztosít, a DTM pedig az elem és a számítógép közti kapcsolatot „rendezi”

FDT és DTM q DTM jellemzők § § § §

A nyomtató driver eszköz megfelelője (önmagában nem működik) A gyártói (konfigurációs, kalibrációs, diagnosztikai, stb.) adatokat tartalmazza Bármilyen FDT alkalmazáshoz hozzárendelhető, de csak FDT alatt fut Grafikus felhasználói illesztést (GUI) biztosít

q FDT jellemzők § § §

30

Multiprotokollos rendszerekhez biztosít egyetlen platformot Alkalmazás és nem technológia orientált Nagyon jó interoperabilitási tesztekkel rendelkezik


FDT Group Különböző SW eszközök

FDT tesztek q q q q q q

Profibus DP Profibus PA, HART, Foundation Fieldbus Gateway, RIO eszközökre

FDT támogatás (nem teljes) q q q q

31

PACTware, FDT Container (M&M Software) FieldCare (Endress+Hauser) ABB Control System


Melyik? Mikor melyik? Nem összehasonlítás

EDDL

FDT/DTM

q Mérnöki alkalmazásoknál § Kontrol stratégia § Rendszer tervezés q Konfigurálás § Off-line parametrizálás § Konfigurálás q Kalibrálás § Eszköz kalibrálás és paraméter letöltés § Eszköz „felélesztés” (comission) § FAT elvégzése

q Optimalizálás § Termelés § Minőség § Karbantartás q Diagnosztika § Prediktív és preventív karbantartás § Advanced diagnosztika § Hiba analízis

q Működtetés § Prediktív és preventív karbantartás § Adat és trend megjelenítés

Komplementer technológia 32


Képzés, tréning ME AFKI IKKOL

q q q q q q q

33

Kommunikációs rendszerek Terepi buszrendszerek oktatása Mérő és szabályozó rendszerek vizsgálata DCS és SCADA vizsgálata Program fejlesztés ipari kommunikációhoz Interoperabilitási vizsgálatok Foundation Fieldbus akkreditáció


Köszönöm a figyelmet

34


Foundation Fieldbus Lehetőség és Valóság

Recommend Documents