FOUNDATION FIELDBUS
Los Buses de Campo Constituyen un avance significativo en la l a utilización de la tecnología disponible por por medio de la l a electrónica en los elementos elementos de campo. c ampo. La tecnología convencional convencional utiliza un par de conductores por cada entrada o salida al sistema, sea esta analógica o discreta y sólo s ólo brinda información de de la variable medida o variable primaria.
Los Los buses buses de de campo campo usua usualm lmen ente te perm permite iten n la inter intercon conexió exión n de de varios varios elementos elementos ³inteligentes´ sobre el mismo bus en distintas topologías y brindan información información adicional a la medición de la variable primaria.
Se han desarrollado diferentes diferentes buses de campo, los más importantes son los que muestra el gráfico siguiente.
Los Buses de Campo Constituyen un avance significativo en la l a utilización de la tecnología disponible por por medio de la l a electrónica en los elementos elementos de campo. c ampo. La tecnología convencional convencional utiliza un par de conductores por cada entrada o salida al sistema, sea esta analógica o discreta y sólo s ólo brinda información de de la variable medida o variable primaria.
Los Los buses buses de de campo campo usua usualm lmen ente te perm permite iten n la inter intercon conexió exión n de de varios varios elementos elementos ³inteligentes´ sobre el mismo bus en distintas topologías y brindan información información adicional a la medición de la variable primaria.
Se han desarrollado diferentes diferentes buses de campo, los más importantes son los que muestra el gráfico siguiente.
Control de Procesos
FIELDBUS Foundation Fieldbus Profibus PA Device Busses CAN DeviceNet Profibus DP Interbus
Sensor Busses AS-I Seriplex
Control Lógico
Dispositivos Complejos Complejos
Dispositivos Sencillos
Funcionalidad / Costo
1.
Foundation FieldBus: características y ventajas
El uso de buses de campo digitales ha probado ser robusto y confiable, particularmente la tecnología Foundation FieldBus que estamos tratando
Cuando las distancias entre la sala de racks y los instrumentos es grande, el cableado se simplifica ya que por cada segmento se emplea un par simple de instrumentos y a dicho segmento se conectan 10 o 12 instrumentos Es un bus que permite no solamente el monitoreo de las variables bajo medición si no también la obtención de información detallada de diagnóstico, la configuración y calibración remota de los dispositivos conectados al Bus.
Travel Deviation Cycle Counter Valve Signature Step Response Dynamic Error Band Drive Signal Output Signal etc...
Configuration Status / Alerts Diagnostics Calculations
Electronics Failure Sensor Failure Process Condition Configuration Warning Plugged Impulse Lines etc... pH Electrode Aging Glass Electrode Failure Reference Electrode Failure Reference Electrode Coating Reference Electrode Poisoning etc...
Electronics Failure Sensor Failure Process Condition Configuration Warning RTD Drift RTD Life Estimation etc...
Electronics Failure Sensor Failure Reverse Flow Empty Pipe Calibration Error Process Condition Configuration Warning etc...
CARACTERISTICAS Interoperabilidad
VENTAJAS Convivencia de Marcas
Información Integrada
Alto nivel de diagnóstico
Control en campo
Control sin Controlador
Facilidad de utilización
Autosensado Otras Fácil ampliación Menor cableado en sala Commissioning
1.
Foundation FieldBus: características de Cableado I/O
Clásico
Foundation FieldBus
H1
Control en Campo PID BKCAL_ IN CAS_ IN
Analog Input
BKCAL_OUT OUT
FF_VAL
OUT
#1
Analog Output CAS_ IN
OUT BKCAL_OUT
IN
#3
TRK_ IN _D TRK_VAL
#2
FOUNDATION FIELDBUS
JB-1
T-1 (par simple)
S-11 S-12 S-13 S-14
JB-2
T-2 (par simple) S-21 S-22 S-23 S-24
Definición: Fieldbus es una red de comunicación digital bidireccional que posibilita la conexión de diversos instrumentos de campo y procesos, como asi también de estaciones de operación (HMI). Este conjunto desempeña funciones de control y permite el monitoreo por medio del software de supervición Red Ethernet
Sistema de Supervisión
Fieldbus
Campo
Foundation Fieldbus puede separarse en 3 ³niveles´ diferentes: 1- Nivel Físico: Las diversas topologías y tipos de bloques de datos utilizados por Foundation Fieldbus. Se ocupa de las técnicas de interconexión de los instrumentos. 2- Nivel de Comunicación o de Software: Manera en que el fieldbus utiliza y asigna registros de los dispositivos. Se ocupa de la comunicación digital entre los dispositivos. 3- Enlace de Datos DLL: Mecanismo de transferencia de datos entre nodos del sistema. Administra prioridad y orden de los pedidos de transferencia, datos, dirección, prioridad, control del medio de transmisión y otros parámetros relacionados con la transferencia de mensajes. Solo un dispositivo tiene permiso para utilizar el medio físico por vez. El LAS (Programador de Link Activo) controla el acceso al medio,
NIVEL FISICO
La codificación de bits en el canal es del tipo Manchester . Se codifica mediante dos niveles y con una transición 0-1 1-0 en el centro de tiempo de cada bit. Flanco Creciente = 0 Flanco Dereciente = 1
CARACTERISTICAS DE LA SEÑAL ELECTRICA
El dispositivo de transmisión provee ±10 mA at 31.25 kbit/s sobre un terminador de carga equivalente de 50 ohm creando una señal de 1.0 volt pico a pico modulado sobre el nivel VCC de fuente. El rango de tensión contínua puede estar dentro del rango de 9 a 32 VDC ( Figura 7.) Sin embargo en el caso de instalaciones I.S el rango depende de la barrera utilizada.
TOPOLOGIA
El Fieldbus permite armar ³spurs´ Como los de la figura. La longitud máximas estarán determinadas por la velocidad de comunicación, tipo de cable, dimensiones del cable, alimentación eléctrica del bus y la opción de instalación I.S.
La longitud total no puede exeder los 1900m con cable par trenzado apantallado. La longitud se determina sumando el troncal mas todos l os spurs. La longitud máxima depende también de la cantidad de dispositivos conectados al segmento. Los Terminadores son localizados uno a cada extremo del segmento.
APLICACION Cada dispositivo FOUNDATION fieldbus incluye tres tipos diferentes de bloques. Function Block(s) Transducer Block I nterface
con el Sensor - Información de Calibración - Información de configuración
FIELDVUE
Define el Bloque de Control: - AI, AO, DI, DO, PID, etc. - Approx 30 Bloques Definidos - Los bloques son configurados por el Host para implementar la estrategia de Control
Transducer Block(s)
Function Block(s)
Resource Block
Resource Block
Características del Dispositivo: - Nombre - Fabricante del dispositivo - Número de serie - Habilitación de recursos
RESOURCE BLOCK
Incluye Información de solo lectura que ayuda a definir el dispositivo
Nombre del Fabricante Numero de Modelo Materiales de Construcción Opciones del dispositivo
Puede tener también parámetros configurables que depende del dispositivo que se trate
Modo (e.g., Automatic or Out of Service) Seguridad y Acceso limitado (e.g., write locks) Opciones de Alarma
TRANSDUCER BLOCK
Interface con los sensores, usada para medir la variable de proceso Información de calibración del dispositivo Datos del sensor Configuración del modo (Automatic or Out of Service)
Para llevar a cabo la calibración, la mayoría de los dispositivos requieren que el bloque esté fuera de servicio
FUNCTION BLOCK
Depende del tipo de dispositivo
Por ejemplo un transmisor de presión con solo un PV puede incluir solo un bloque AI. También el transmisor podría incluir un segundo PV, temperatura de tarjeta o también podría incluir un algoritmo PID.
Existen 21 bloques de función para control de procesos básico y avanzado. En dispositivos de campo o en el sistema de control.
DEVICE DEFINITION (DDs)
Archivo que contiene la definición del dispositivo, es propio de cada modelo Permite la interoperatividad entre marcas Se usa para describir
Parámetros standard del bloque Parámetros únicos por fabricante
Permite interoperatividad con cualquier host Lo provee el fabricante o FIELDBUS FOUNDATION
ADMINISTRACION DE LA COMUNICACION
AI 110
PID 110 AO 110
Host Interface incl. LAS
³Loop 110´ period(Macrocycle) of execution
Cyclic Functions - Control Functions AI- Ejecución de bloques de control PID- / AO- Ejecución de bloques de control Comunicación cíclica entre dispositivo y/o controlador Comunicación acíclica
Acyclic Functions - Alarmas and Eventos - Información de Mantenimiento y Diagnósticos - Invocación de Programas - Permisivos - ³View Data´ Comunicación - Información de Trend - Configuración & Downloads
PROCESANDO LA COMUNICACION
> 230 ms
AI
PID
AO
AI
PID
AO
40 ms
25 100 ms ms
65 ms
40 ms
25 100 ms ms
65 ms
Para este lazo ejemplo el tiempo mínimo de Macrociclo es de 230 ms.
PROCESANDO LA COMUNICACION
> 255 ms
AI
PID
AI 40 ms
25 ms
AO
AI
PID
AO
AI
100 ms
65 ms
40 ms
PID
25 ms
AO
PID
AO
100 ms
65 ms
Agregando un segundo lazo al segmento el tiempo de macrociclo resultará mas grande, pero no el doble (para este caso será de al menos 25 ms mas largo).
Link Active Scheduler (LAS)
Link Master Device
Es capaz de mantener actualizado el listado de dispositivos conectados al segmento.
Debe haber uno por segmento Puede haber un dispositivo por segmento asignado como backup
TOPOLOGIA
Máximo 16 dispositivos por segmento
Máximo 4 repetidores por segmento El número de dispositivos por segmento variará según:
Instalación típica: 6 a 8 dispositivos por segmentos
Potencia consumida por cada dispositivo Tipo de cable usado Uso de repetidores
Los dispositivos pueden ser agregados On Line sin interrupción
TOPOLOGIA
Junction
Box
³Point-to-Point´
³Bus with Spurs´
³Daisy-Chain´
³Tree´
Low Density
Not Recommended
High Density
ACONDICIONADORES FIELDBUS MTL 5995
Son necesarios para alimentar los dispositivos conectados al segmento dado que el puerto H1 es solo de comunicaciones. Constituyen la interface de comunicaciones entre H1 y los dispositivos del segmento. Incluye un terminador interno que se habilita mediante un DIP Switch cuanto este acondicionador está ubicado en un extremo del segmento.
Alimentación
Entrada conectada al puerto H1 Salida conectada al segmento en campo
TERMINADORES
100 Ohm
Previenen la distorsión y pérdida de señal. Usado en el extremo del segmento o cerca del mismo Si los Spurs están ubicados en el extremo del segmento
1 QF
Idealmente se coloca en el dispositivo de campo con el spur mas largo
Dos y solo dos por segmento Especificación: 100 Ohm resistor, 1 QF capacitor
TERMINADORES
¿Donde
Debería moverse el terminador si el
segmento se expande?
Solo será necesario si la longitud del cable adicionado supera los 100m
T
H1 fieldbus Interface
T
New devices
REQUERIMIENTOS DE ALIMENTACION
La alimentación de los dispositivos desde el Bus requiere 9 - 32 VDC La máxima longitud del segmento varía dependiendo del número de dispositivos y el consumo de potencia de ellos. La fuente de alimentación debe ser acondicionada
REQUERIMIENTOS DE ALIMENTACION
Consideraciones para dimensionar el acondicionador de alimentación Fieldbus:
Consumo de corriente de cada dispositivo
Ubicación del dispositivo en la red
Ubicación de cada sección de cable
Resistencia de cada sección de cable
Tensión de la fuente de alimentación
APANTALLADO DEL SEGMENTO
Se prefiere el uso de cable apantallado Conectar la pantalla a tierra de instrumentos en un único punto (el resto de la instalación debe estar aislada de tierra)
Preferentemente en el extremo conectado a bornes del sistema de control
No deben interconectarse pantallas correspondientes a diferentes segmentos. En el dispositivo no debe conectarse la pantalla a tierra o chassis del mismo
PROTECTORES CIMA
Medio de conexión entre el Trunk y Spur Provee protección contra corto circuito Provee protección a la fuente del segmento
Conexión del Trunk desde puerto H1 Led Rojo encendido Indica Spur en Corto Circuito. Un LED por Spur
+ - Sh + - Sh
Conexión Spur al Dispositivo + - Sh + - Sh
DATOS TECNICOS PROTECTORES CIMA
CONEXIONADO CONEXIONADO DE PROTECTORES CIMA +
TRUNK Segmento
Shield
+ - Sh + - Sh
+ - Sh + - Sh
+ - Sh + - Sh
T + - Sh + - Sh
TX1
TX2
+ - Sh + - Sh
TX3
TX4
+ - Sh + - Sh
TX5
TX6
DISEÑO DE SEGMENTOS
RESULTADOS RESULTADOS DEL CALCULO
RESULTADOS DEL CALCULO
RESULTADOS DEL CALCULO
SEGMENTO FIELDBUS Alimentación 24Vcc Caja de Campo H1 Port
Gabinete PLC
Instrumentación de Campo
DIAGNOSTICOS DE RED
Herramientas utilizadas
Voltímetro Digital
Ociloscopio Digital
Relcom Inc.
Tester de Red Fieldbus
DCV del dispositivo, nivel de Ruido, nivel de Señal
CONSIDERACIONES
Cableado
Dimensionamiento de alimentación, Terminaciones, Longitud de Cables No usar puesta a tierra como Pantalla
Chequear al especificar el dispositivo
En la Web FOUNDATION fieldbus que el dispositivo haya sido testeado Asegurarse que el dispositivo cuenta con los bloques de funciones necesarios para la aplicación a implementar.
DISPOSITIVOS 4-20mA Vs. FIELDBUS
4 - 20 mA Tradicional
Transmite solo una variable en dirección única Una señal de 2 hilos por dispositivo al subsistema de I/O
FOUNDATION fieldbus
Múltiples variables se comunican entre dispositivos y/o controlador Información de diagnóstico que se comunica al host y sirve para mantenimiento Un solo par trenzado sirve para conectar al sistema múltiples dispositivos Menos susceptible al ruido
TRANSMISOR DE PRESION TRADICIONAL
PV
TRANSMISOR DE PRESION FIELDBUS
Resource ST_REV TAG_DESC STRATEGY ALERT_KEY MODE_BLK BLOCK_ERR RS_STATE TEST_RW DD_RESOURC E MANUFAC_ID DEV_TYPE DEV_REV DD_REV GRANT_DENY HARD_TYPES RESTART FEATURES FEATURE_SEL CYCLE_TYPE CYCLE_SEL MIN_CYCLE_T
MEMORY_SIZ E NV_CYCLE_T FREE_SPACE FREE_TIME SHED_RCAS SHED_ROUT FAIL_SAFE SET_FSAFE CLR_FSAFE MAX_NOTIFY LIM_NOTIFY CONFIRM_TIM E WRITE_LOCK UPDATE_EVT BLOCK_ALM ALARM_SUM ACK_OPTION WRITE_PRI WRITE_ALM
Analog In ST_REV TAG_DESC STRATEGY ALERT_KEY MODE_BLK BLOCK_ERR PV OUT SIMULATE XD_SCALE OUT_SCALE GRANT_DEN Y IO_OPTS STATUS_OPT S CHANNEL L_TYPE LOW_CUT PV_FTIME
FIELD_VAL UPDATE_EV T BLOCK_ALM ALARM_SUM ACK_OPTIO N ALARM_HYS HI_HI_PRI HI_HI_LIM HI_PRI
HI_LIM LO_PRI LO_LIM LO_LO_PRI LO_LO_LIM HI_HI_ALM HI_ALM LO_ALM LO_LO_ALM
PID ST_REV TAG_DESC STRATEGY ALERT_KEY MODE_BLK BLOCK_ERR PV SP OUT PV_SCALE OUT_SCALE GRANT_DENY CONTROL_OPT S STATUS_OPTS IN PV_FTIME BYPASS CAS_IN SP_RATE_DN SP_RATE_UP SP_HI_LIM SP_LO_LIM
GAIN RESET BAL_TIME RATE BKCAL_IN OUT_HI_LIM OUT_LO_LIM BKCAL_HYS BKCAL_OUT RCAS_IN ROUT_IN SHED_OPT RCAS_OUT ROUT_OUT TRK_SCALE TRK_IN_D TRK_VAL FF_VAL FF_SCALE FF_GAIN UPDATE_EVT BLOCK_ALM
ALARM_ SUM ACK_OPTIO N ALARM_HYS HI_HI_PRI HI_HI_LIM HI_PRI HI_LIM LO_PRI LO_LIM LO_LO_PRI LO_LO_LIM DV_HI_PRI DV_HI_LIM DV_LO_PRI DV_LO_LIM HI_HI_ALM HI_ALM LO_ALM LO_LO_ALM DV_HI_ALM DV_LO_ALM
PREGUNTAS FRECUENTES ¿Que tipo de alimentación requiere Foundation fieldbus? Hay varios tipos de cables disponibles. Los dispositivos pueden alimentarse desde el bus ¿Cuantos terminadores deben instalarse? Dos terminadores por segmento ¿Cual es la máxima longitud del segmento? La longitud variará dependiendo de distintos factores tales como el consumo de cada dispositivo, tipo de cable, uso de repetidores, I.S., etc. ¿Cual es el máximo número de dispositivos por segmento? Máximo 32 dispositivos por especificación. ¿Cual es la velocidad de transmisión del bus? 32,25Kbps
PREGUNTAS FRECUENTES ¿Cual es el tiempo de ciclo de comunicaciones? Depende del tiempo de ejecución y cantidad de bloques de función que hay en cada segmento. ¿Como afecta la incorporación de un nuevo dispositivo al segmento? Los dispositivos pueden adicionarse On Line sin interrupción de las comunicaciones con los dispositivos que ya estan en funcionamiento ¿Puede armarse una instalación Intrinsecamente Segura? Si, esta opción esta disponible. ¿Redundancia? Puede redundarse el LAS (Link Master Scheduler) Puede redundarse el puerto H1
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Instrumento Resourse Block Transducer Block Function Block Transducer Block Local Indicator
Bloque Logico Segmento FF
Fieldbus Card
H1 Ports
Bloque Logico Segmento FF
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Segmento Fieldbus
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Bloque Logico Segmento FF
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros del Resource Block
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros del Transducer Block
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros del Analog Input Block
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros del Transducer Block Indicador Local
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Atributos del Dispositivo FF
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros del Puerto H1
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros de la Placa FF
EJEMPLO DE PANTALLAS DE CONFIGURACION EN EL RS-FIELDBUS
Parámetros del Host
MEDICIONES A COMPROBAR PARA ASEGURAR UN BUEN FUNCIONAMIENTO DE LAS COMUNICACIONES
Dos tipos de Mediciones. Medición de parámetros estáticos o sin tensión Medición de parámetros dinámicos Ambas mediciones deben realizarse con la instalación del segmento completa
MEDICIONES ESTATICAS DE RESISTENCIA
Debe desconectarse el segmento en los bornes frontera del tablero de control, ambos conductores del Bus y cable de pantalla Medición de Resistencia Ohm
Valor esperado
Conductor Señal + a Conductor Señal Conductor Señal + a Conductor Pantalla Conductor Señal - a Conductor Pantalla Conductor Señal + a Barra de Tierra
>50Kohms (1) Abierto >20 M Abierto >20 M Abierto >20 M
Conductor Señal - a Barra de Tierra conductor Pantalla a Barra de Tierra
Abierto >20 M Abierto >20 M
(1) La medición irá incrementándose por la carga de las capacidades correspondientes al terminador y distribuida del cable.
MEDICIONES ESTATICAS DE CAPACIDAD
Medición de Capacitancia
Valor esperado
Conductor Señal + a Conductor Señal Conductor Señal + a Conductor Pantalla Conductor Señal - a Conductor Pantalla Conductor Señal + a Barra de Tierra
1 µF (0.80 to 1.20 µF acceptable) (2) < 300 nF < 300 nF < 300 nF (3)
Conductor Señal - a Barra de Tierra conductor Pantalla a Barra de Tierra
< 300 nF (3) < 300 nF (3)
(2) <0,5 µF indica Terminador no conectado, 2 µF indica 2 terminadores conectados, Para el valor esperado se asume que el 2° terminador es el del acondicionador que en el momento de la medición se encuentra desconectado. (3) Lectura mucho mayor al valor esperado (>1 µF) indica que la señal se degradará 300nF indica problemas de ruido en el sistema de tierra. Mediciones realizadas indican que hasta 500nF pueden llegar a ser aceptables ya que darán formas de onda de señal muy parecidas a las que veremos mas adelante.
INSPECCION DE TERMINADORES
Chequear la posición de los dos Switches en la parte trasera de las fuentes MTL 5995
SW1
Si esta etiquetado como no usado puede quedar en cualquier
posición Si se etiqueta con NORMAL/DUAL Redundancy, debe quedar en posición Normal
SW2
Terminator: Debe estar en posición IN para usar el terminador propio de la fuente.
MEDICIONES DINAMICAS
MEDICION DE TENCION Reconectar los cables del segmento previamente desconectado y alimentarlo en forma de funcionamiento normal. Medir el nivel de tensión de salida de la fuente MTL5995 entre los terminales 12(+) y 11(-) o 9( +) y 8(-). El valor esperado de tensión entre dichos bornes es de 18,6 a 19,4 VDC
MEDICIONES DINAMICAS
MEDICION DE FORMA DE ONDA Para medir la forma de onda de señal alterna se utilizará el ociloscopio.
Set del Ociloscopio: AC, 200mV/div, 100µs/división, Mediante HOLD realizar una captura de la forma de onda. Valor esperado: 500mV a 900mV pico a pico Verificar que la forma de onda sea la esperada
EJEMPLO DE FORMA DE ONDA TIPICA
Forma de onda esperada de un segmento bien diseñado con los 2 terminadores y 300mts de cable
EJEMPLO DE FORMA DE ONDA INADECUADA
Forma de onda de un segmento con solo 1 terminador y 300mts de cable, se puede observar que aumenta Vpp y se deforma la onda de señal
