Foundation Fieldbus Lehetőség és Valóság

Átírás

1 MOL Dunai Finomító Foundation Fieldbus Lehetőség és Valóság Dr. Jónap Károly tudományos főmunkatárs Miskolci Egyetem Alkalmazott Földtudományi Kutatóintézet Műszerfejlesztési és Informatikai Osztály 1

2 Miért lehetőség és valóság? Rajtunk múlik Történeti áttekintés egy kicsit másképpen Miért Foundation Fieldbus? Feladat végrehajtás Mérések a rendszereken Diagnosztika EDDL vagy FDT? Képzés és tréning 2

3 Irányítási struktúrák változása Jövőkép a 70-es évekből Technológia Műszerszoba analóg jel Érzékelők Beavatkozók 1 Típusú Technológia Műszerszoba digitális kommunikáció Terepi vezérlő terem analóg jel Érzékelők Beavatkozók 2 Típusú Technológia Terepi vezérlő Érzékelők Műszerszoba digitális kommunikáció Terepi vezérlő terem digitális kommunikáció digitális kommunikáció 3 Típusú Terepi vezérlő Beavatkozók Lokális vezérlő Terepi busz Irányító, felügyeleti terem digitális kommunikáció Központi vezérlő terem MAP MAP Technológia 4 Típusú Lokális vezérlő Terepi busz 3

4 Számítógépes irányítási rendszerek A fejlődés iránya Számítógépes irányítás PC bevezetése PLC megjelenése Hálózatra épülő irányítási rendszerek SCADA SupervisoryControl And Data Acuisition DCS DistributedControl System FCS Field Control System PCS Process Control System CPAS Collaborative Process Automation System Lokális irányító rendszerek Cél: Feladat: meghatározni, hogy mire képes az új technológia elemzési és vizsgálati módszerek kidolgozása 4

5 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 Router Wireless Rx Vevő Hálózati kapcsoló Router Human Machine Interface Man Machine Inreface Kezelői munkaállomás Operator Station Internetes kapcsolat WEB server Configuration Control Builder Diagnostic Mérnöki munkaállomás Engineering Station Alarm Manager Loop Audit Abnormal Situation Managaement Üzemfenntartási munkaállomás Asset Management Solution Station OPC Adatgyűjtés + szolgáltatás OPC Kapcsolat OPC server Kezelői szint Operator Level Folyamatirányítási hálózat -DCS Network Secure Process LAN Router DMZ AC/DC táplálás Busz táplálás I.S. elválasztás Ex Wireless Rx Vevő Busz illesztő PID Advanced Process Control Vezérlő állomás Field Control Station Rádiós átvitel SIS SIL HAZOP ESD Biztonsági vezérlő Fail Safe Controller Vészleállító egység Emergency Shut Down Ethernet Token passing Token ring Optical ring Táplálás Programozható logikai vezérlő / PLC 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 Rb alkalmazások és kiegészítő elemek Terepi szint Field Level Technológia 5

6 Collaborative Process Automation System CPAS ARC Advisory Group javaslat Larry O Brien Cégek reagálása kivétel nélkül mindenki A két busz fejlesztése terepi és üzemi hálózat Business Planning & Supply Chain Management Business Functions Ethernet-Based Networks Collaborative Process Automation System Business Work Processes Product Management Function Manufacturing Operations Management Manufacturing Work Processes Continuous Batch Logic Safety Real/Time Control Function Standard Fieldbus & Device Networks Sensors, Actuators & Logical Devices 6

7 Az intelligens távadó megjelenése Feladatmegoldás a helyszínen Funkció blokkok megjelenése bemeneti számítási szabályozási kimeneti Field Control Station PID Field Control Station Remote IO Field Control Station PID alapjel számítás FB beavatkozó érzékelő mérés technológiai blokk mérés FB szabályozás FB beavatkozás FB beavatkozás technológiai blokk érzékelő technológia mérés (technológia függő) beavatkozás (technológia függő technológia folyamathoz kapcsolt alkalmazás (gyakorlatilag technológia független) 7

8 Várható tendenciák Kommunikáció szerepe Hardver ár jelentősen csökkent (30% alatt) Fejlett alarm kezelés Terepi kommunikáció elterjedése terepi irányítás DCS és FCS a nagysebességű hálózaton CPAS Collaborative Process Automation System Kína és India belépésének hatása DCS 2 önálló feladatmegoldás redundáns, nagysebességű, ipari kommunikációs hálózat DCS 1 önálló feladatmegoldás DCS n önálló feladatmegoldás 8

9 Hogyan határozzuk meg a minőséget? Egy módszer A meglévő ismeretek alkalmazására épül Objektív megoldás Általános érvényű Speciális alkalmazási területekhez kapcsolódó feladatok Működést nem közvetlenül érintő háttérszolgáltatás A működéshez szükséges támogatás Az irányítás hatékonysági kérdései Feladat végrehajtása 9

10 Feladat végrehajtás A legfontosabbak Kétállapotú jelek kezelése Diszkrét bemenet DI Multiplexelt kétállapotú bemenet MDI Impulzus bemenet PI Diszkrét kimenet DI Multiplexelt kétállapotú kimenet MDI AI ARTH Mérési feladatok Analóg bemenet AI Multiplexelt analóg bemenet MAI Analóg kimenet AO Multiplexelt analóg kimenet MAO Logikai feladatok Időzítés és kombinációs logikai függvény (T/C) Bemeneti csatornaválasztó -IS AI PID AO bemenet számítás szabályozás kimenet Szabályozási feladatok csak a Foundation Fieldbus rendszerben 10

11 Be- és kimeneti jelek kezelése Lehetőségek Bemenetek: Analóg bemenet (AI) Multiplexelt analóg bemenet (MAI) Irányítási folyamat Riasztás és vészjelzések kezelése Kétállapotú jelek kezelése Analóg jelek kezelése Kimenetek: Analóg kimenet (AO) Multiplexelt analóg kimenet (MAO) Hajtási feladatok Szabályozási feladatok Logikai függvények és sorrendi vezérlések központi vezérlő MANLD AO AI központi vezérlő központi vezérlő Központi vezérlő Technológia Technológia 4-20 ma DCS kommunikáció FF kommunikáció analóg távadó RIO FF távadó MANLD AI AI Központi vezérlő 4-20 ma Technológia PID AO analóg távadó Beavatkozó 11

12 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 PID AO Központi vezérlő Technológia Vegyes elrendezés PID algoritmus a vezérlőben PID AO AI PID Központi vezérlő Technológia AI PID Központi vezérlő Technológia PID AO Érzékelő Beavatkozó Terepi feladat végrehajtás AI PID AO Központi vezérlő Technológia 12 Érzékelő Beavatkozó

13 Összetett szabályozás 1 Kaszkád szabályozás Kaszkád szabályozás a vezérlőben Végrehajtási idő: 100 ms Eszköz Megnevezés Típus Funkció blokk AI 1 PID 1 PID 2 AO TT-101 Hőmérséklet távadó R PT-201 Nyomástávadó R PC-302 Szabályozó szelep DVC5000F - AI 2 Központi vezérlő Technológia DCS Folyamatirányító r. DeltaV AI, AI1295, PID1, PID2, AO Vegyes elrendezésű kaszkád Terepi elrendezésű kaszkád AI 1 PID 1 Központi vezérlő Technológia Központi vezérlő Technológia AI 1 PID 1 PID 2 AO AI 2 PID 2 AO Érzékelő Beavatkozó AI 2 Érzékelő Beavatkozó Makrociklus idő: 290 ms Makrociklus idő: 320 ms 13

14 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 gőz fűtés bemenet FC 221 reaktor TT 222 hűtővíz bemenet TT-222 TC-220 FC-221 FCV-200B AI BKCAL_IN BKCAL_OUT IN PID OUT CAS_IN SPLT BKCAL_IN_2 OUT_2 OUT_1 BKCAL_IN_1 CAS_IN CAS_IN AO-2 BKCAL_OUT BKCAL_OUT AO-1 FCV-200A 14

15 Szplitter példa Vegyes elrendezés Vegyes elrendezésű szplitter GAIN 1 Végrehajtási idő: 100 ms AI 1 PID 1 SPLTR Makrociklus idő: 420 ms GAIN 2 Központi vezérlő Technológia AI 2 PID 2 AO 1 AI 3 PID 3 AO 2 Érzékelők Beavatkozók Eszköz Megnevezés Típus Funkció blokk PT-201 Nyomástávadó R TT-101 Hőmérséklet távadó R-3244 AI2, TT-102 Hőmérséklet távadó 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 15

16 Lehetőség a gyorsításra Gondos konfigurálás MV T T MV dt: 20ms 16

17 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. 17

18 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

19 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

20 Milyen támogatás áll rendelkezésre? Hardver és szoftver eszközök Egyszerű diagnosztikai eszközök Feszültség, áram, ellenállás, kapacitás, stb. mérők Monitorok a Fizikai réteg vizsgálatra Oszcilloszkóp PCMCIA kártya (oszcilloszkóp, kommunikáció teszt) Kommunikációs vizsgáló eszközök Szoftver támogatású hibakereső és figyelő eszközök DCS diagnosztikai eszközök 20

21 Relcom FBT-6 Fieldbus Monitor Egyszerű, gyors terepi eszköz Buszon: tápfeszültség mérés, DC, jel, zaj, elemszám, kommunikációs hiba Zaj mérése alacsony, magas és fieldbus frekvencián Árnyékolási hiba mérése Az összes eszköz figyelése Adat betöltés PC-re USB-n keresztül Alkalmazás robbanásveszélyes övezetben 21

22 DM-AM Mobile Fieldbus Diagnostic Pepperl+Fuchs monitor 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

23 F809F on-line Fieldbus Diagnosztika MTL-Relcom fejlesztés Központi számítógép Instrument Management Software (tartalmazza az FF diagnosztikát) Tápegység On-line diagnosztikai modul Controller I/O Alarm Fieldbus Fizikai réteg diagnosztika Nyolc fieldbusszegmens ellenőrzése A rendszer a H1-en kommunikál Egy tápegység blokk szükséges a nyolc szegmenshez 23

24 Emerson 475 Field Communicator Foundation Fieldbus, HART, Wireless Terepi használhatóság (CENELEC/ATEX bizonylat) Univerzális Foundation Fieldbus és HART kommunikáció Wireless HART kommunikáció tesztelési lehetőség Több mint 1000 eszközadat Bluetooth kommunikáció PC-vel Illesztési lehetőség AMS-hez Jó diagnosztikai lehetőségek 24

25 Ciklusidő mérése Nyomáskompenzált áramlás távadó National Instruments NI-FBUS Fieldbus Configuration System 25

26 Nyomáskompenzált áramlás távadó Ciklusidő kiosztás MV T T MV dt: 20ms 26

27 Háttér szolgáltatások EDDL vagy FDT/DTM Versenytársak vagy nem? EDDL vagy FDT, melyik a jobb? Új terepi busz háború a láthatáron? Hova állnak a gyártók? Milyenek a szolgáltatások? Te mit választanál? Tanulni, tanulni, tanulni 27

28 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 DD Device Description technológián alapszik 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 28

29 EDDL alkalmazás IEC sorozat IEC sorozat 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 Technológiai blokkok Hőmérséklet blokk Nyomás blokk On/Off blokk Fildbusz FB specifikációk Profilok FF alkalmazás Profibus alkalmazás IEC jellemzők HART alkalmazás Egyéb technológia alkalmazás IEC EDD jellemzők Beavatkozó blokk Implementáció Eszköz 29

30 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 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 FDT jellemzők Multiprotokollos rendszerekhez biztosít egyetlen platformot Alkalmazás és nem technológia orientált Nagyon jó interoperabilitási tesztekkel rendelkezik 30

31 FDT Group Különböző SW eszközök FDT tesztek Profibus DP Profibus PA, HART, Foundation Fieldbus Gateway, RIO eszközökre FDT támogatás (nem teljes) PACTware, FDT Container (M&M Software) FieldCare (Endress+Hauser) ABB Control System 31

32 Melyik? Mikor melyik? Nem összehasonlítás EDDL Mérnöki alkalmazásoknál Kontrol stratégia Rendszer tervezés Konfigurálás Off-line parametrizálás Konfigurálás Kalibrálás Eszköz kalibrálás és paraméter letöltés Eszköz felélesztés (comission) FAT elvégzése FDT/DTM Optimalizálás Termelés Minőség Karbantartás Diagnosztika Prediktív és preventív karbantartás Advanced diagnosztika Hiba analízis Működtetés Prediktív és preventív karbantartás Adat és trend megjelenítés Komplementer technológia 32

33 Képzés, tréning ME AFKI IKKOL Kommunikációs rendszerek Terepi buszrendszerek oktatása Mérő és szabályozó rendszerek vizsgálata DCS és SCADA vizsgálata Program fejlesztés ipari kommunikációhoz Interoperabilitási vizsgálatok Foundation Fieldbus akkreditáció 33

34 Köszönöm a figyelmet 34