Intelligens Szenzorok 2.

Átírás

1 Intelligens Szenzorok 2. Előadás jegyzet K É S Z Í T E T T E : D R. F Ü V E S I V I K T O R ELŐADÓ: ERDŐSY DÁNIEL

2 Tömegáram mérés 2

3 Tömegárammérők Előny, hátrány A mérőmű és/vagy a mérőjel-képző szerkezet kimenőjele közvetlenül az áthaladó tömegárammal arányos Termometriás (hőelvonásos, DTszenzoros stb.) áramlásmérők Coriolis erő hatását használó mérők Giroszkópos mérők Hidraulikus Wheatstone híd Hangsebességű (szónikus) mérőtorok és Venturi fúvóka 3

4 Előnyök A tömegáram mérő jelenleg a legpontosabb áramlásmérő eszköz A pontosság és az ismétlőképesség 0,1% az tömegre vonatkoztatva áramló A méréstartomány átfogás elérheti az 1:1000 arányt is Különleges ismétlőképesség és hosszú idejű stabilitás (nincs mozgó alkatrész) A tömegmérés esetében a hőmérsékleti, viszkozitásbeli, a sűrűségi, a vezetőképességi és a nyomás változás nincs hatással a mérésre 4

5 Coriolis elvű tömegárammérők 5

6 Endress + Hauser Video Coriolis Tömegáram mérés (coriolis_hu.mpg) 6

7 Gaspar Gustav de Coriolis ( ) Felépítés Mérőcsövet egy rezgés gerjesztő mozgásba hoz Be- és kimeneti érzékelők pontosan regisztrálják a cső elmozdulását térben és időben Működés Nincs áramlás a mérőcső egyenletesen leng Áramlás esetén csavarodás rakodik az egyenletes rezgésre, ami a tehetetlenség eredménye Coriolis hatás miatt be- és kimenő csőszakasz rezgése között fáziskülönbség alakul ki 7

8 Működés Fázis eltolódás arányos a csőben áramló folyadék vagy gáz mennyiségével Kilengés nagysága arányos az áramlás sebességével Folyadék sűrűségének meghatározására is felhasználható Lengés frekvenciája arányos folyadék sűrűségével Vízzel teli cső gyorsabban leng, mint a mézes Előnyei Több paraméter egyidejű mérésére alkalmas Tömegáram Térfogatáram Sűrűség Hőmérséklet Fázis Frekvencia Hőmérséklet Coriolis erő Rezonancia Tömegáram [kg/h] Sűrűség [kg/m 3 ] Folyadék [ C] 8

9 D40-ig egycsöves D40 fölött kétcsöves Fázis különbség zéró áramlásnál Fázis különbség áramlásnál 9

10 Siemens érzékelők és távadók Érzékelők MASS 2100 DI 1.5 FC300 DN 4 Jelfeldolgozó egységek MASS 2100 Di 3 Di 40 MC2 DN 20, DN 25 MC2 DN 40 DN 150 MASS MASS 6000 IP67 MASS 6000 Exd SIFLOW FC070 10

11 Jellemzők MASS 2100 Méret: DI 1.5 (falvastagság: 0,25 Méréstartomány: 0-65 kg/h Kivitel: 1-pipe system Mérőcső (wetted): (SS) vagy (Hastelloy C-22) Folyadék nyomás: 296 bar (SS) 460 bar (Hastelloy C-22) Folyadék hőm.: Doboz anyaga: Ex-version: Csatlakozás: mm) -50 to C (Std,version) -50 to C (Ht. Version) (SS) Eex ia IIC T3 T6 (ATEX approval) 1/4 NPT ANSI B G1/4 ISO

12 SIEMENS FC család Kétcsöves érzékelők MC2, DN 20, DN 25 MC2, DN 40 DN 80 12

13 SIEMENS FC430 új áramlásmérő Komplett rendszer Méret: Méréstartomány: Kivitel: Mérőcső (wetted): Doboz anyaga: Folyadék nyomás: Folyadék hőm.: Zajérzékenység: Ex-version: SIL: Kimenet: Kijelző: Alkalmazás: DN15, 25, 50, 80 3,7, 11,5, 52,0, 136,0 1-pipe system 316L 314 SS 100 bar -50 to C Hz random ATEX, IECEx, stb. SIL2 és SIL ma, HART 7.2 Grafikus tonna nincs hatással vegyipar, olajipar, higiéniai területek 13

14 Alkalmazási területek Ipari terület Vegyipar Petrolkémia Élelmiszer és ital Gyógyszeripar Autóipar Finomító Energiaipar gyártás Közeg Folyadékok Gázok 14

15 Egyéb áramlásmérési módszerek 15

16 Endress + Hauser Video Nyomáskülönbségen Alapuló áramlásmérés (differenzdruck_hu.mpg) 16

17 Áramlás mérése nyomásméréssel A p Mérőperem vázlata Alapelv: Szűkítsük le az áramló közeg útját és mérjük a létre jövő nyomásváltozást A 0 szűkítő elem keresztmetszete A p cső keresztmetszete c d kalibrációs együttható 17

18 Áramlás mérése állandó nyomáseséssel üvegcsöves Rotaméterek fémcsöves Alapelv: tartsuk a nyomásesést állandó értéken úgy, hogy a szabad átáramlási keresztmetszetet változtatjuk, a mérőjelet a keresztmetszet változásának mérésével kapjuk 18

19 Axiálturbinás áramlásmérés Mérési tartomány: Gázok 0, m 3 /perc Folyadék 0, dm 3 /perc Probléma: szennyeződés 19

20 Tangenciális turbinás áramlásmérők egysugaras többsugaras 20

21 Forgó rendszerű áramlásmérés fogaskerekes oválkerekes forgólapátos 21

22 Keringőelemes áramlásmérő vázlata 1, ház 2, csigatengely 3, keringőelem (golyó) 4, induktív érzékelő 5, horony a keringőelem számára 22

23 Szintmérés 23

24 Úszós szintjelzés Jelzők és mérők Membrános szintmérés Súlymérésre visszavezetett szintmérés Mágneses szintmérés Úszó szintkapcsoló Hidrosztatikus elven működő szintmérés Nyomásmérésre visszavezetett szintmérés Fenéknyomás mérésre visszavezetett szintmérés Lézeres szintmérés Vezetőképességi elven működő szintmérés Szintkapcsolók (forgó lapátos, kapacitív, billenő, vibrációs, ultrahangos) Kapacitív elven működő szintmérés Ultrahangos, Radaros szintmérés 24

25 Szintjelzők Üvegcsöves szintjelző Ipari megoldások Úszós szintjelző Membrános szintjelző 25

26 Közvetett mérési elvek Hidrosztatikus elvű 1 Elterjedt megoldások Hidrosztatikus elvű 2 Nyomásmérésen alapuló 26

27 Egyéb szintmérési módszerek Elterjedt megoldások 2. Elektromechanikus elvű Lézeres szintmérő Kapacitív szintmérő 27

28 Siemens szintkapcsolók Forgó lapátos Általános Extrém nyomás és hőmérséklet Rezgővillás folyadékra Billenő Ultrahangos Nagy nyomás és hőmérséklet Rezgővillás ömlesztett anyagra Kapacitív 28

29 Forgó lapátos szintkapcsolók A forgólapátos szintkapcsoló ömlesztett szilárd anyagok, különféle porok, szemcsés és granulált anyagok szintjének jelzésére szolgál (pl. gabona, pernye, fűrészpor, mészkő, szén, agyag, stb.). A forgólapátot szinkronmotor hajtja. Amint a mérendő közeg eléri a forgólapátot, azt lefékezi, megakadályozza forgását. A beépített nyomatékkapcsoló ekkor egy nagyterhelhetőségű váltóérintkezővel külső jelzésre, működtetésre alkalmas kontaktust ad, illetve egy másik érintkezővel a forgatómotort kikapcsolja Granulátum, por, ragadós anyagok mérésére Sűrűség 15 g/l (2,19 lb/ft 3 ) Méréstartomány: 100 mm 10 m Hőmérséklet és nyomás Közeg hőmérséklet: C Nyomástartomány: st. 0,5 bar, op. 10 bar AC és DC tápfeszültségű üzem Tele, üres és igény szerinti alarm relé Különleges súrlódó tengelykapcsoló Opcionálisan fail safe konfigurálás (elforgás figyelés) 29

30 Billenő szintkapcsolók Működ és: Miltronics Tilt Switch Probe elektromechanikus kapcsolás higany zárt térben Granulátum, ömlesztett anyagok szint kapcsolására alarm jelek biztosítására (alsó és felső Kapcsolási adatok áram: 2 A feszültség: 24 VDC Szög: 17 bármelyik irányban Alkalmazási terület szállító szalagnál anyag hiánya jelzés, száraz, ömlesztett anyagoknál, folyadékoknál. szint) 30

31 Rezgővillás szintkapcsoló Vibrációs szintkapcsoló villa A készülékek működése a rezgővilla által érzékelt anyagtól függő rezonanciafrekvencia-változás elvén alapul. A piezokristályt tartalmazó mérővilla rezonanciafrekvenciájának a levegőben szabad oszcillálástól való eltérése a villa érintkezési felületétől, az érzékelt közegtől, annak sűrűségétől és viszkozitásától függ. Folyadékok, zagyok, trutymók mérésére Bemerülés: 40 mm Hiszterézis: kb. 2 mm Kapcsolási idő: 0,5 s Kimenet: PNP tranzisztor Hőmérséklet és nyomás Hőmérséklet tartomány közeg: C ( ) Nyomástartomány: 1 64 bar Piezoelektromos vibráció 1200 Hz rezonancia frekvenciával (beépített oszcillátor hangolódik el) Túlfolyás, üres és igény szerinti alarm relé Turbulens áramlás, buborékos közeg esetén is használható Korrózió figyelésre is alkalmas 31

32 Rezgővillás szintkapcsoló Ömlesztett anyagokra Ömlesztett anyagok mérésére LVS100 méréstartomány: 170 mm. 2 m LVS200 méréstartomány: 165 mm. 4 m Frekvencia: LVS100: 200 Hz, LVS200: 125 Kimenet: 8 A, 250 VAC vagy 5 A, 30 VDC Hőmérséklet és nyomás Hőmérséklet tartomány: C Nyomástartomány: 10 bar Mechanikai behatásokra érzéketlen Külső vibrációra nem érzékeny Tele, üres és igény szerinti alarm relé Az LVS200 opcionális 4-20 ma kimenettel Silókban, hombárokban ömlesztett anyagokra Hz (op. 350 Hz) 32

33 Kapacitív szintmérés s Történeti áttekintés Michael Faraday próbarendszere egy dielektrikummal, elektróda felhasználásával James Clerk Maxwell (skót matematikus) a Faraday elvet alkalmazza az elektromágneses hullámzásra radar technika alapja Két elektródás rendszerek bevezetése Kapacitív elven működő tartály szintmérési eljárások fejlesztése Az Endress + Hauser kifejleszti a kapacitív szintmérést tartályokra A Meridian Instruments B.V. (Hollandia) kifejleszti a frekvenciamodulációs elvű kapacitív szintmérőt A Milltronics megvásárolja a Meridian Instruments B.V. 70%-át Milltronics bevezeti a Pointek Serie elnevezésű kapacitív elvű szintmérőt 33

34 Kapacitív szintmérés alapelve Kondenzátor kapacitása A kondenzátor két lemeze között egy dielektrikum Dielektromos állandó Lemezfelület Kapacitás Lemezek közötti távolság 34

35 Dielektromos állandók Különböző anyagok Dielektromos állandók Levegő 1.0 Rizs 3.5 Víz 80 (20 C) Fly Ash Formic Acid 59 Methanol 33 Petróleum Urethán Levegő Aceton Víz 20 C

36 Tartály szintmérés Számítás d D C = K1 x L x r log(d/d) (pf) ahol K1= 24,3 m-ben C = Kapacitás változás (pf) L L = Szonda távolság (m) r = A mérendő anyag dielektromos állandója D = Tartály átmérő (cm) d = Szonda átmérő (cm) 36

37 Kapacitás két különböző méretű tartályon A levegő Kondenzátor kapacitása C = 24,3 * r L d=16 mm d=16 mm * B levegő 2 m D 0,5 m D CA 24,3 * 1 * 1 24,3 * 1 * 1 24,3 = log(2/0,016) = log(125) = 2,1 = 11,5 pf/m CB 24,3 * 1 * 1 24,3* 1 * 1 24,3 = log(0,5/0,016) log(31,25) 1,5 = = = 16,25 pf/m 37

38 Szintkapcsolók Pointek CLS200 Anyag jelenléte (nem léte) érzékelés Szintmérésnél Hi és Lo alarm Folyadékra, szilárd anyagra, zagyra, határfelületre Jellemzők Változatos csatlakoztatás Univerzális AC/DC táplálás Konfigurálható kimeneti opciók (relé v. Profibus PA kommunikáci ó) Minden szabványos szintkapcsoló feladatra 38

39 Szintkapcsolók Pointek CLS300 Ez is kapacitás elhangolódással mér Szintmérésnél Hi és Lo alarm Folyadékra, szilárd anyagra, zagyra, habra, határfelületre Jellemzők 5 DIP kapcsolóval kalibráció Méréshatár: rúd 1m, kábellel 20 m Hőmérséklet: C Univerzális AC/DC táplálás Konfigurálható kimeneti opciók (relé v. Profibus PA kommunikáció) SIL2 alkalmazás Lloyd hajóipari regisztráció 39

40 Szintkapcsolók Felépítés Nyomástartomány: vákuum 35 bar Hőmérséklet: , op ºC ATEX minősítés Hőmérséklet izoláció Kerámia elválasztó Anyag SS 316L 40

41 Szintmérés Mérési módszerek Nyomáskülönbségre visszavezetett Tipikusan használt (SIEMENS): DSIII Gravimetrikus Súlymérésre visszavezetett mérés Kapacitív Széles tartományban használt, elterjedt Ultrahangos Zajos és poros környezetben különösen használt Radaros Vezetett és sugárzó radaros 41

42 Szintmérés SITRANS LC300 Jellemzők méréstartomány: max. 5 m, 1, pF pontosság: 0,4 % Kimenet (galvanikusan leválasztott) Átfogás 1:10000 Kimeneti jel: 4-20 ma / 20-4 ma Hőmérséklet tartomány Standard: C standard (6600pF opció), Nyomástartomány Standard: bar Integrált LCD Csatlakoztatás rozsdamentes csavar Technológiai csatlakozás PFA (PerFluorAlkoxi) 42

43 Ultrahangos szintmérés Történeti áttekintés MultiRanger Echomax MultiRanger 100/200 The Probe EnviroRanger ERS

44 Ultrahangos szintmérés alapelve Reflexió érzékelésen alapuló mérés visszhang mérése Példa: levegőben a visszhang 58,2 ms múlva érkezik: 44

45 Ultrahangos szintkapcsoló Kompakt kivitel Kontaktusmentes ultrahangos kapcsoló Folyadék 0,25 5 m Ömlesztett szilárd 0,25 3 m Mérés: szilárd, folyadék és zagy közegre (még nyúlós folyadékra is) Jól használható ragadós folyadékra is! Két kapcsolási pont (HiHi, Hi, Lo vagy LoLo), de lehet szivattyú vezérlésre is Beépített hőmérséklet kompenzáció Két nyomógombos programozás Ex kivitel 45

46 Ultrahangos szintkapcsoló Digitális kimenet A piacon a legpontosabb eszköz 0.15% Kétvezetékes ultrahangos távadó (54 khz) Méréstartomány: 0,25 6 vagy 0,25 12 m Szint és térfogat mérése Nagy jel/zaj viszony Sonic Intelligence Automatikus False-Echo elnyomás HART vagy PROFIBUS PA kimenet IP67 IP68 SIMATIC PDM a távműködtetésre és diagnózisra Ex ia alkalmazás 46

47 Ultrahangos vezérlők LUT420/430/440 MultiRanger 100/200 HydroRanger 200 HydroRanger Plus LUC500 LUC01/02/10 LU AO 47

48 Ultrahangos vezérlők Általános célú egytávadós vezérlő Csatlakozó érzékelők: Ultrahangos érzékelő (echomax) Hőmérséklet érzékelő (Siemens TS-3) Méréstartomány: 0,3 60 m (távadótól függ) Táplálás: AC vagy DC Hőmérséklet kompenzáció ( C) Pontosság: ± 1 mm (LUT440 0,6 Kimenet: 4-20 ma analóg 2 vezérlő, 1 alarm relé HART 7.0 és USB kommunikáció Háttér világítású LCD mm) 4 nyomógomb a helyi programozáshoz 48

49 Ultrahangos vezérlők Vízkutak, gátak monitorozására Víztározóknál szivattyú monitorozásra Rendszer monitoring és hálózat analizálás Méréstartomány: 0,3-15 m (1-50 ft) Kimenet: 6 relé Távadó táplálásra 44 khz kimenet (Echomax) Hőmérséklet kompenzáció C tartományban 49

50 Ultrahangos vezérlők Víz monitoring és szabályozás Víz és szennyvíz monitoring Méréstartomány: 15 m (50 ft) Kapcsoló: 5 relé Jellemzők: Adatgyűjtés Beépített telemetriai képesség Szivattyú vezérlés biztosítása MODBUS RTU/ASCII kommunikáció SmartLinx kommunikációs opció 50

51 Ultrahangos érzékelők Echomax XPS/XCT Echomax XRS-5 Echomax XLT Echomax S T- H 51

52 Ultrahangos érzékelők Szilárd anyag és folyadék mérésre Szint: XLT-30: 0,9 30 m, XLT-60: 1,8 60 m Tápfrekvencia: XLT-30: 22 khz, XLT-60: 13 khz Sugárzási szög: 5 Öntisztító Magas hőmérséklet tartomány: C Távadó távolság: max. 365 m ATEX, CSA, FM, SAA jóváhagyás 52

53 Ultrahangos érzékelők Vegyi anyag tartályokban szintmérésre Szintmérés: 0,3 10 m Hőmérséklet kompenzáció beépített érzékelővel Táplálás 44 khz frekvenciával Szűk sugárzási zóna Beépített egység 2 átmérőjű Magas hőmérséklet (up to 150 o C) Széleskörű minősítés ATEX, stb. Olcsó, könnyen installálható 53

54 Radar elvű szintmérés Radar elvű szintmérés Kontaktusmentes mérés, nem igényel közvetítő közeget (mint az ultrahang) Gőz, por, nyomás, hőmérséklet nincsen hatással a mérésre 2 vagy 4 vezetékes mérések 6 vagy 24 GHz mérőfrekvencia, 78 GHz (LR560) Auto False-Echo Suppression Terjedési idő mérés Simatic PDM, HART, Profibus PA, Foundation Fieldbus Magas jel/zaj viszony 54

55 Szintkapcsolók Radar szintmérők LR560 LR200 LR250 Probe LR LR260 LG200 LR400 LR460 55

56 Radar szintmérők SITRANS Probe LR Kétvezetékes (sugárzó botantennás) radaros távadó folyadékok és zagyok szint és térfogat mérésére 10 mm (0.4") pontosság Nincs hatással a gőz, vákuum, nyomás, hőmérséklet Méréstartomány: 20 m (66 ft) Magas jel/zaj viszony Sonic Intelligence Frekvencia: 5,8 GHz (6,3 GHz USA) Auto False-Echo elnyomás HART kommunikáció SIMATIC PDM kosz, extrém 56

57 Radar szintmérők Kürtős kivitel Két vezetékes radar távadó folyadékra és zagyra tartályban 25 GHz 5 mm (0.2") pontosság Antenna méret (40 mm-10 m,48,75,95 mm- 20m) növekvő méret=nagyobb pontosság Intelligens távadó SS316 antenna (op. Hastelloy C-220, PVDF) Hőmérséklet C, nyomás max. 40 bar HART, PROFIBUS PA és Foundation Fieldbus kommunikáció SIMATIC PDM 57

58 Radar szintmérők Szilárd anyagokra készült radaros szintmérő 5 mm (0.2") pontosság LR260 2 vezetékes, 25 GHz-es LR460 4 vezetékes, 24 GHz-es (extrém koszos környezetben alkalmazható) Méréstartomány: 100 m Magas hőmérséklet (200 C) Ideális eszköz poros és koszos környezetbeli alkalmazásra Levegő bemenet tisztításra HART vagy PROFIBUS PA kommunikáció SIMATIC PDM 58

59 Radar szintmérők Vezetett radaros szintmérő Guided Wave Radar Folyadékok és szilárd anyagok mérésére 1 vagy két rudas rendszer Határfelületek mérésére is Habos felületek nem zavarják Maximális méréstartomány: 22,5 m 2,5 mm pontosság Magas hőmérsékletű (427 C) és nyomású (430 bar) alkalmazás HART vagy PROFIBUS PA kommunikáció SIMATIC PDM 59

60 Analóg multiplexer 60

61 Analóg bemeneti rendszer felépítése Technológia... Multiplexer csatorna kiválasztás Mintavételező, tartó áramkör mintavétel, tartás kész Analóg / digitális átalakító adat start Input/output illesztés Központi egység (CPU) 61

62 Analóg multiplexer A1 B 1 A i B i Vezérlő egység 1. csatorna Szűrő A 2 B 2 2. csatorna Szűrő Erősítő A/D konverter An Bn n. csatorna Szűrő 62

63 Analóg multiplexer Kiválasztási szempontok Elemek Relé, FET, CMOS Csatornaszám 2, 4, 8, 16, 32 vagy több BRM Break Before Make megoldás Repülő kondenzátoros elv Élettartam Típus egypontos, kétpontos (single ended, differential) Jelszint alacsony szintű vagy magas szintű AMUX, Hierarcia egyszerű, hierarchikus Forrás ellenállás kicsi vagy erősítőkapcsolással alkalmazott (instrumentation amplifier) Beállási idő lassú vagy gyors 63

64 Buszrendszerek Integrált nyitott rendszer felépítése (IOS) Szimuláció Folyamat tervezés CAD/CAM Dokumentáció Üzleti tervezés Pénzügyi terv Emberi erőforrás Eladás tervezés Mérnöki irányítás Információs sztráda Termék menedzselés DCS PLC PC Hajtások Folyamatirányítás Termék terítés Minőség ellenőrzés Folyamat optimálás Felügyelet 64

65 Buszrendszerek Hierarchikus buszrendszer Busz: Az a jelátviteli rendszer, amelyik szabványos mechanikai és elektromos jellemzőkkel (vezetéktípusa, csatlakozók, stb.) és vezérelt adatátvitellel (protokoll) rendelkezik. Mit szállítanak a buszok: o adatokat, o vezérlési információkat, o programokat Vállalati információs rendszer Felügyeleti rendszer Közvetlen digitális vezérlő rendszer Vállalatirányítási rendszer buszok SCADA, DCS buszok Átfedések PLC buszok Technológiai kapcsolat: távadók, beavatkozók,kétállapotú elemek Terepi buszok 65

66 Buszrendszerek tulajdonságai Csatlakozó elemek: o Számítógép - számítógép o Számítógép és intelligens eszköz o Eszközök eszközökkel Távolság: o Helyi o Távoli Átvitel: o Párhuzamos o Soros Szinkronizációs mód: o Aszinkron o Szinkron Átvitt adat mennyiség: o Karakterenként o Csomagokban Adatátviteli sebesség o bps, kbps, Mbps, Gbps o 75; 110; 150; 300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600; bps; o kbps; 1 Mbps; 10 Mbps; 100 Mbps; 1 Gbps Átviteli mód o Szimplex SX (pl.: rádió) o Half duplex HDX (pl.: walkie-talkie) o Full duplex FDX (pl.: mobiltelefon) Vezérelt adatátvitel Protokoll o Nem válaszjeles o Válaszjeles o Determinisztikus o Nem determinisztikus 66

67 Buszrendszerek felépítése ISO-OSI hétréteges modell Interfész o kapcsolat a különböző modulok között ugyanabban az egységben Protokollok o kapcsolat a különböző egységek között (ugyanabban a modulban) 7 Alkalmazói 6 Megjelenítési 5 Viszony 4 Átviteli 3 Hálózati 2 Adatkapcsolati 1 Fizikai Alkalmazói réteg Adatátviteli réteg 67

68 ISO-OSI modell 1 - Fizikai réteg o Definiálja a fizikai közeg részére a villamos és mechanikai jellemzőket o Beállításokat definiál o Csatlakoztatást, leválasztást ad meg a fizikai rétegen o Kommunikációs vonalakat definiál Szabványok o X.25, Ethernet; RS-232; RS-422; RS-423; RS-485; V.24/V Adatkapcsolati réteg o Biztosítja a hibamentes kapcsolatot a fizikai réteghez, üzenetkeretet ad, hibát detektál és javít o A megfelelő csatorna hozzáférést és használatot menedzseli o Biztosítja az átvitt adat megfelelő sorrendjét Szabványok o ISO-HDLC; IBM-SDLC 68

69 ISO-OSI modell 3 - Hálózati réteg o Címek és útvonalak megadása o Kommunikációs utak beállítása o Átvitel ellenőrzés Szabványok o Telnet, Arpanet 4 - Átviteli réteg o A kommunikációs végpontok közötti vezérlésről gondoskodik o A biztonságos adatcserét kezeli Szabványok o DEC-DNA; IBM-SNA 5 - Viszonyréteg o Az eszköz és rendszer független átvitelét biztosítja o Interfész (logikai átvitel biztosítása) 6 - Megjelenítési réteg o Biztosítja a kódolt adat átvitelét a kommunikációs csatornán keresztül a felhasználó számára 7 - Alkalmazói réteg o Biztosítja a felhasználói szolgáltatást, a fájl átvitelt, a fájlok távoli elérését, a DBMS-t FTP 69

70 Vezérelt adatátvitel HDLC - High-level Data Link Control protokoll Cím Vezérlés Adat CRC Bitek és keretformátum: Start: 7Eh n bit 8 bit Stop: 7Eh Cyclical redundancy check: Ellenörző kód 8 bit: sorszám, nyugtázás 70

71 Tipikus ipari protokoll MODICON cég vezette be 1979-ben, mint ipari hálózati protokollt. M O D B U S Master Slave Protokoll Üzenetváltás Master egység host gép, PLC, DCS, egyéb több PLC, számítógép, távadó, szelepvezérlő, stb. (max. 247) kérés válasz jellegű elem címe funkció kód n x adatbájt elem címe funkció kód n x adatbájt Slave egység hiba ellenőrzés hiba ellenőrzés 71

72 MODBUS jellemzői HW felület o RS-232, RS-422, RS-423, RS-485 Adatátviteli sebesség o 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, bps Átviteli forma o ASCII (American Standard Code for Information Interchange ~ szabványos amerikai kód az információcserére) 8 bites o RTU (Remote Terminal Unit ~ Távoli terminál egység) 7 bites Átviteli közeg o Rézvezető, rádiós kommunikáció, mikrohullám, stb. 72

73 MODBUS adat továbbítása Protokoll - ASCII Protokoll - RTU Longitudinal redundancy check Start Cím Funkció Adat LRC CRLF Lezáró karakterek 2 bájt (LRC Lo és LRC Hi) Start Cím Funkció Adat CRC Vége T1-T2-T3-T4: csend 16 bit: ellenőrző kód n x adat (7. v. 8. bit) n x 8 bit: adat 4-5. bájt: írás, olvasás, stb. utasítások 2-3. bájt: az aktuális eszköz címe 8 bit: utasítások 8 bit: az eszköz címe 1. bájt: : mindig 3Eh T1-T2-T3-T4: csend 73

74 Ipari kommunikáció 4-20 ma analóg jeltovábbítás o Áramhurok o 1 adó, 1 vevő o ~ 1000 m o Szabályozás a műszerszobából RS-232 digitális jelátvitel o Gond a földvezetékkel o 1 adó, 1 vevő o ~ 15 m, 38,4 kbps RS-422 digitális jelátvitel o Differenciális o 1 adó, 10 vevő o ~ 1200 m, 90 kbps RS-485 digitális jelátvitel o Differenciális o 32 adó, 32 vevő o ~ 1200 m, kbps 74

75 RS-232 EIA RS-232C Single Ended Data Transmission (bevezetve 1962-ben) Terminál eszköz és adat kommunikációs eszköz soros bináris adattovábbítást megvalósító kommunikációja Adat be Tx ~ ~ Rx Adat ki Kiegyenlítetlen kapcsolás: Kimeneti feszültségszint: Vevő oldal: Adatátviteli sebesség: Kábelhossz: egyvezetékes nincs jel = V; van jel= V nincs jel 3 V; van jel -3 V max. 20 kbps max. 20m Egy adó és egy vevő! 75

76 RS-232 jellemzői +15 V LSB MSB V -3 V -15 V Start Adat Paritás Stop (1 vagy 2) Jellemzők: o Nagy a használt feszültségszint (sebességigondok az illesztéssel) o Az egyvezetékes csatlakoztatás miatt földelési gondok o Multidroppos illesztést nem definiál a szabvány o Különböző a bekötés DTE és DCE illesztésnél o A kézfogásos üzemmódhoz sok vezeték szükséges o A csatlakozó lábak bekötését definiálja a szabvány, de az összeköttetésnél lehetnek gondok. 76

77 Indeterminate region RS-232 jellemzői Protokoll o Adatbit szám: 4, 5, 7, 8 o Paritásbit: Páros,páratlan o Stopbitek száma: 1, 1.5, 2 o Adatátviteli sebesség: 110, 9600, 19200, 38400, 57600, bit/s 77

78 RS-232 csatlakozó kiosztása (DB9S) DCD DSR RD (Rx) RTS TD (Tx) CTS DTR RI GND Data Carrier Detect Data Set Ready Receive Data line Request To Send Transmit Data line Clear To Send Data Terminal Ready Ring Indicator GrouND 78

79 RS-422 EIA RS-422 Differential Data Transmission Kiegyenlített digitális illesztő áramkör elektromos karakterisztikája ~ Adat be Tx Rx Adat ki ~ Jellemzők o Kétvezetékes kiegyenlített áramkör o Kimeneti feszültségszint: - 7 V +7 V o Vevő oldal: -200 mv +200 mv o Adatátviteli sebesség: 100 kbs 10 Mbps o Kábelhossz: max m Egy adó és 10 vevő! Lezáró ellenállás! 79

80 RS-485 EIA RS-485 Bidirectional Balanced Data Transmission Kétirányú, kiegyenlített digitális illesztő áramkör elektromos karakterisztikája n. Mester szolga Adat be Tx ~ ~ Tx Adat be Adat ki Rx 1. szolga Rx Adat ki Jellemző o Kétirányú, kiegyenlített áramkör o Kimeneti feszültségszint: o Vevő oldal: o Adatátviteli sebesség: o Kábelhossz: - 7 V +7 V -200 mv +200 mv 10 Mbps max m 1 adó és 32 vevő 80

81 RS-422/RS-485 DB9S csatlakozó Tx+ RTS+ Tx- RTS- Rx+ CTS+ Rx- CTS+ GND Tx: Rx: Transmit Data Line Receive Data Line RTS: Request to Send CTS: Clear to Send GND:Ground RS-485 topológia: o Csillag o Busz 81

82 Kommunikációk összehasonlítása Jellemzők RS-232 RS-422 RS-485 Működési mód Single-ended differential differential Adók és vevők száma egy vonalon 1 adó 1 adó 32 adó 1 vevő 10 vevő 32 vevő Kábelhossz max. [m] Adatátviteli sebesség max. ( m RS422/RS485) 20kb/s 10Mb/s-100Kb/s 10Mb/s-100Kb/s Adó kimeneti feszültség max. +/-25V -0.25V +6V -7V +12V Adó kimeneti jelszint (terhelt) +/-5V +/-15V +/-2.0V +/-1.5V Adó kimeneti jelszint (terheletlen) +/-25V +/-6V +/-6V Adó impedancia (Ohms) 3k-7k Adó kimeneti áram (Z állapotban) Power On N/A N/A +/-100uA Adó kimeneti áram (Z állapotban) Power Off +/-2V +/-100uA +/-100uA Slew Rate (Max.) 30V/uS N/A N/A Vevő bemeneti feszültség tartomány +/-15V -10V +10V -7V +12V Vevő bemeneti érzékenység +/-3V +/-200mV +/-200mV Vevő bemeneti ellenállás (Ohms), (1 terhelés RS485 esetén) 3k 7k 4k min. >=12k 82

83 Vegyes rendszerek Intelligens hibrid rendszerek o fejlesztés: ötvözni az analóg és digitális technikát, o a gyártók azonnal léptek, o gyártófüggetlen alkalmazások. Digitális jel Digitális jel Szabályozó Szabályozó 4-20 ma 4-20 ma 4-20 ma 4-20 ma Műszerszoba 4-20 ma + digitális 4-20 ma + digitális Technológia HART rendszer Távadó Beavatkozó Távadó Beavatkozó 83

84 Analóg és digitális kommunikáció Highway Addressable Remote Transducer (HART) Buszon címezhető terepi távadó Master-Slave kommunikáció (kivéve a burst kommunikáció) két Master lehet (egy vezérlő és egy kommunikátor), (burst: a Master tól ig időtartamig engedélyezi az eszközt az adatküldésre) 4-20 ma + digitális jel vezérlő 84

85 HART - Analóg és digitális kommunikáció Jel frekvencia: o Bell 202 típusú frekvencia moduláció (standard frequency shift key FSK) o logikai Hz, o logikai Hz 85

86 HART - Több távadó egy vezetékpáron Vezérlő Csatlakoztatható elemek száma: 15 Multidrop kommunikáció: mindegyik távadó megkapja az üzenetet Kétvezetékes távadó Aktív és passzív távadók egy rendszerben TE + 24 V + 24 V Távadó Rt = TE Rt 0 V 0 V + + Távadó Távadó passzív passzív - - Távadó aktív Távadó aktív 86

87 HART Adat és protokoll formátum Adat 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P 1 Start bit 8 adat bit (először az LSB) paritás páratlan Stop bit Protokoll Preamble STRT ADDR COMM BCNT (STATUS) (DATA) CKSM Adat Ellenőrző összeg - max. 25 bájt (ha van) Elem és kommunikáció állapot 2 bájt (csak az elemtől a controller irányban, válaszkor) Utasítás Bájt számláló s (ezt követő bájtok száma, kivéve CKSM) Cím (forrás és cél) 1 bájt (rövid keret); 2 bájt (hosszú keret) Indító (Start) karakter (M-S: 02 v 82; S-M: 06 v 86; BM: 01 v 81 Bevezető karakter 3 vagy több hexadecimális FF (a vevő modem szinkronizálásához) 87

88 HART Utasítások Minden parancsnak rendelkezik egy bájtos azonosítóval (max. 256 parancs) Bővítés miatt még egy bájt rendelkezésre áll, 254 utasítással,azaz max. 510 utasítás lehetséges 3 csoport: o Univerzális utasítások o Általános utasítások o Eszköz specifikus utasítások Univerzális utasítások (minden eszköznek értenie kell) Utasítások számozása: 0, 1, 2, 3, 6, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 33, stb. 0 Gyártmány jellemzők: 0. bájt 254 kiterjesztés 1. bájt gyártó kódja (HART alapítvány adja) 2. bájt gyártmánykód (gyártó adja) 3. bájt bevezető karakterek száma 4. bájt univerzális utasítás revízió 5. bájt eszköz specifikus utasítás revízió 6. bájt szoftver verzió 7. bájt hardver verzió 8. bájt eszköz állapot (8 bit) bájt eszköz egyedi szám (ID-2 byte) 88

89 HART Utasítások 1 elsődleges változó (PV) beolvasása: 0. bájt PV paraméter kód (bar) 1-4. bájt PV (primary variable) értéke 2 mért érték és százalékos érték beolvasása: 0-3. bájt mért értékma-ben 4-7. bájt mért érték a tartomány %-ban 3 A mért érték és négy előre definiált dinamikus változó beolvasása: 0-3. bájt mért érték ma-ben 4. bájt PV paraméter kód (bar) 5-8. bájt PV mért érték valós adata 9. bájt második változó (SV) paraméter kód (m 3 /h) bájt második változó mért értékének valós adata 14. bájt harmadik változó (TV) paraméterkód ( C) bájt harmadik változó mért értékének valós adata 19. bájt negyedik változó (FV) paraméter kód ( C) bájt negyedik változó (FV) mért értékének valós adata 89

90 HART Utasítások Általános utasítások 13 eszköz technológiai jele tervjel (tagname), dátum (pl. utolsó kalibrálás dátuma), leírás 15 Kimeneti adatokbeolvasása alarmok (alsó és felső), írásvédelem, stb. Eszköz specifikus utasítások 14 eszköz érzékelőjének adatai: sorozatszám, alsó felső határérték, erősítés) Device Descriptor eszközleíró Revíziószám Az eszközleíróval kapcsolatos problémák Egyéb rendelkezésre álló utasítások még: EEPROM adatainak másolása, nulla és végérték beállítása, stb. 109 burst üzemmód beállítása (0 ki, 1 be) 90

91 érzékelés vezérlés szabályozás informatikai rendszerek AS i Profibus DP CAN DeviceNet SDS WorldFIP HART ControlNet Ethernet IEC/SP50 Profibus PA FF H1 Terepi buszrendszerek Automatizálá s szintje o o o o o o o o ARCNET CAN HART MODBUS SDS Distributed System LONWorks Bitbus Devices Net Rockwell Automation) Controller Area Network ISO High Addressable Remote Transducer MODicon BUS Honeywell által fejlesztett Smart Allen-Bradley által fejlesztett (ma Sensoplex Interbus S Felhasználási terület Diszkrét elemekhez kötődő rendszerek Folyamatokhoz kötődő rendszerek 91

92 Szabványos rendszerek The Eight Headed Monster o FF-1 o FF-HSE IEC által 2000 januárban ratifikált szabványok Foundation Fieldbus H1 Foundation Fieldbus High Speed Ethernet o Profibus PROcess FieldBUS o WorldFIP European Standard (EN50170) o Pnet o ControlNet o Interbus S o Swift Net A jövő: IPARI ETHERNET - ETHERNET/IP 92

93 Fieldbus szabványok CANopen Fejlesztő: CAN in Automation, 1993 Formátum: CAN (Control Area Network) alapú technológia Csatlakozás: Mini 18 mm and Micro 12 mm gyorscsatlakozó és 9 tűs D-Shell Elemszám max.: 64 Távolság: 100 m m Átviteli sebesség: 125, 250, 500 és 1000 kbps Üzenet mérete: 8 bájt/node/üzenet Lekérdezés: pollozás, mintavételes, ciklikus, állapot megváltozása Szervezet: CAN In Automation - Előnyök: Nagy megbízhatóság Tápfeszültség együtt megy a kommunikációval Hatékony hálózat kihasználás Hátrányok: Európában korlátozott használat Bonyolult protokoll Korlátozott üzenet méret 93

94 Fieldbus szabványok Device Net Fejlesztő: Formátum: Csatlakozás: csatlakozó Elemszám max.: 64 Távolság: Allen Bradley, 1994 CAN technológiai alapokon Mini 18 mm és Micro 12 mm gyorscsatlakozó és 5 tűs Phoenix 100 m m Átviteli sebesség: 125, kbps Üzenet mérete: Lekérdezés: Szervezet: maximum 8 bájt/node/üzenet pollozás, mintavételes, ciklikus, állapot megváltozása Open Device Net VendorAssociation (ODVA) - Előnyök: Olcsó Széles körben elterjedt Tápfeszültség és kommunikáció együtt Hátrányok: Korlátozott sávszélesség Korlátozott az üzenet mérete Korlátozott az üzenethossz 94

95 Fieldbus szabványok Interbus Fejlesztő: Phoenix Contact, 1984 Formátum: Nagy sebességű léptetőregiszteres topológia Csatlakozás: 9 tűs D-Shell és 23 mm kerek DIN Elemszám max.: 256 Távolság: 400 m/segment, 12.8 km teljes Átviteli sebesség: 500 kbps (2 Mbps is rendelkezésre áll) Üzenet mérete: 8 bájt/node/üzenet Lekérdezés: I/O lekérdezés és PCP csatorna az adatátvitelhez Szervezet: Interbus Club - Előnyök: Széles diagnosztikai képesség Kis fejléc Gyors válaszidő és hatékony buszkihasználás Tápfeszültség és kommunikáció együtt Hátrányok: A buszon bármilyen meghibásodás tönkreteszi az egész láncon lévő kommunikációt A nagy mennyiségű adatátvitel korlátozott 95

96 Fieldbus szabványok ControlNet Fejlesztő: Allan-Bradley, 1995 Formátum: RG6/U kábel (TV kábel) és RockwellASIC chip Csatlakozás: két redundáns BNC Elemszám max.: 99 Távolság: m (jelismétlővel) Átviteli sebesség: 5 Mbps Üzenet mérete: bájt Üzenet formája: multimaster, peer to peer, fregmentált, előre meghatározott ütem szerinti lekérdezés (determinisztikus) Szervezet: ControlNet International - Előnyök: Determinisztikus Ismételhető Hatékony hálózatkihasználás Hátrányok: Limited multi-vendor support Drága a RockwellASIC 96

97 Fieldbus szabványok Ipari Ethernet Fejlesztő: DEC, Intel és Xerox, 1976 Formátum: 10 Base 2, 10 Base T, 100 Base T, 1 Gigabit Csatlakozás: RJ45 vagy koaxiális Elemszám max.: 1024, bővíthető útválasztókkal Távolság: 100m (10 Base T) to 50 km (monomódusú, üvegszállal) Átviteli sebesség: 10 Mbps Mbps Üzenet mérete: bájt Üzenet formája: peer to peer Szervezet: Industrial Ethernet Association - Előnyök: Széles körben elterjedt Általános szabvány Rengeteg rendszert installáltak Sok szakértő áll rendelkezésre a világon Hátrányok: Nagy az üzenetfej Nincs együtt a tápfeszültséggel a kommunikáció EMI/RFI jellemzők 97

98 Fieldbus szabványok Különböző protokollok az ipari Etherneten Modbus/TCP Ethernet/IP Profibus Etherneten Foundation Fieldbus HSE 98

99 Szenzor buszok Általános jellemzők Jó integrálhatóság Protokoll kompatíbilis főállomások Buszrendszerű felépítés (rendszerint MS kapcsolat) Csatlakozó pontok száma rögzített Adat és táplálás ugyanazon a vezetéken Adatátviteli sebesség Tipikus szenzor buszok Interbus S Device Net SDS Seriplex Sensoplex AS-Interface (ASi) Mi van a terepi buszrendszer alatt? 99

100 Szenzor buszok AS-Interface Fejlesztő: AS-I Konzorcium, 1993 Csatlakozás: Lapos sárga kábellel (speciálisanasi-ra), 2 pólusú csatlakozó vagy 12 mm gyorscsatlakozó Elemszám max.: 31 slaves, 1 master Távolság: 100 m m (jelismétlővel) Átviteli sebesség: 167 kbps Lekérdezés: 8 bit (4 bemenet, 4 kimenet)/node/üzenet Üzenet formája: Mintavételes Szervezet: AS-I Trade Szervezet - Lapos kábel AdatA Előnyök: Különlegesen egyszerű Olcsó Nagysebességű Tápfeszültség a buszon Nagyon jó csatlakozás az I/O elemekhez Hátrányok: Korlátozott hálózati méret Szegényes analóg I/O csatlakozás 100

101 Szenzor buszok AS-Interface Protokoll felépítése 1 bit 1 bit 5 bit 5 bit 1 bit 1 bit 4 bit 1 bit 4 bit 1 bit 1 bit Szünet Stop bit Stop bit P Paritás bit P Paritás bit I Adat bit I Adat bit 0 Start bit A - Címbit S VezérlőbitV 0 Start bit 101

102 Fieldbus szabványok Sensoplex Fejlesztő: Csatlakozás: Hans Turck Gmbh, 1987 Koaxiális csatlakozó Elemszám max.: 64 Távolság: 1000 m (jelismétlővel) Átviteli sebesség: Üzenet mérete: kbps 16 kétirányú Üzenet formátuma: Master-slave Internet cím: Előnyök: Egészen egyszerű felépítés Olcsó Főállomáson keresztül jó csatlakozás a különböző protokollokhoz Gyújtószikramentes kialakítás: Sensoplex 2 Ex Hátrányok: Gyári szabvány Csak digitális I/O rendszerekhez 102

103 Szenzor buszok Sensoplex Protokoll Protokoll felépítés DA Data Data Adat 8 bit PLC Adat 8 bit Destination Address Cím 8 bit Master állomás (protokoll konverter) Be- ; Kimeneti modulok Jellemzők gyújtószikramentes övezetben alkalmazható, egyszerű protokollal rendelkezik, érzékelők és határérték kapcsolók összeköttetésére készült, teljesen moduláris rendszer, kábelezés koaxiális kábellel, tesztelés üzem közben is biztosított. 103

104 Szenzor buszok Sensoplex Sensoplex Ex Rendszer a DIO jelek lekezelésére 104

105 Egyéb buszok - IIC IIC = I2C = I 2 C o IIC = Inter Integrated Circuit o IC-k közötti busz o Philips fejlesztette ki o 2 vezeték: o SDA: Serial Data o SCL: Serial Clock o Sebesség: kb/s o Félduplex (felváltva adás-vétel) EEPROM SDA SCL Atmega169 I 2 C-busz Fram A/D PIC 105

106 IIC csatlakoztatása 106

107 IIC protokoll o Alaphelyzet: SDA és SCL H állapotban vannak o Az eszközök tranzisztora L szintre tudja húzni a vezetéket o Szerepek: o MST: Mester kezdeményezi az átvitelt és órajelet generál o SLV: Slave a mester által megcímzett egység o o o Funkciók o TRX: Transmitter Egység amelyik adatot küld a sinre o RCV: Receiver Egység amelyik adatot fogad a buszról Egyszerre 1 MST vezérelheti a buszt Multi-master kialakítás lehetséges Bájt átvitel 107

108 START ACK ACK ACK ACK STOP Példa eszköz IIC-vel o szolga cím: o 4 bit: típuscím o 3 bit: hardvercím o 1 bit: i/o bit Mester küldi A szolga címe 0 X MSB Memória cím LSB Memória cím Adat bájt Szolga küldi FRAM adott címre történő írása

109 SPI Serial Peripherial Interface o Motorola μp-nál vezették be o 4 vezetékes kommunikáció o Multimaster kialakítás lehetséges o Mester adja az órajelet o Duplex (adás és vétel történhet egyszerre) o Mhz-es adatátviteli sebesség o Shift regiszterek vannak két vonalon összekötve MESTER Órajel generátor MISO MOSI SCK SZOLGA MISO: Master Input Slave Output MOSI: Master OutputSlave Input SS SCK: Slave Clock SS: Slave Select

110 USB Universal Serial Bus o Soros kommunikációs szabvány eszközök csatlakoztatáshoz számítógépekhez és más eszközökhöz o Szabványok o USB 1.0 (1994) o USB 1.1 (1998) gyakorlatban elterjedt o USB 2.0 (2001) o USB 3.0 (2008) o USB 3.1 (2013)

111 USB előnyei Használatának előnyei Könnyen használható Egyetlen csatoló felület számos eszköz számára Automatikus konfiguráció Működés közben is csatlakoztatható Nem (mindig) igényel külön tápforrást Olcsó

112 USB csatlakozók és lábkiosztás Host oldali konnektor típus (tápot szolgáltat) Szolga oldali konnektor típus (tápot felhasznált) Láb Név Leírás 1 Vcc +5 Vdc 2 D- Adat- 3 D+ Adat+ 4 GND Nulla

113 USB protokoll és topológia opollozásos busz o Hoszt eszköz indíthatja a kommunikációt oadat átadást csak a hoszt kezdeményezhet ohárom csomagtípus: o Zseton csomag: o Típus o Irány o Cím o Végpont száma o Adat csomag o Kézfogás csomag o ACK o NAK

114 USB adatátviteli módjai o Control Transfers o minden eszköznek ismernie kell o ezzel a móddal kérdezi le a gazdagép az eszköz paramétereit o Bulk Transfers o fájlátvitel-jellegű adat közlésre o Interrupt Transfers o megbízható, karakteres jellegű adatok gyors továbbítására (mutató eszközök, egér, stb.) o Isochronous Transfers o kis késleltetésű átvitel o streaming-jellegű adattovábbításhoz (video és audio)

115 USB hoszt feladatai o USB eszköz csatlakoztatásának és leválasztásának érzékelése o Utasítások szervezése a hoszt és az eszköz között o Adat áramlás felügyelet a hoszt és az eszköz között o Állapothoz és tevékenységhez kapcsolódó statisztikák gyűjtése o Energia biztosítás a csatlakoztatott USB eszköznek

116 Intelligens és összetett szenzorok Külön pdf 116

117 IoT Protokollok (angol nyelvű, külön pdf) 117