Curso Fieldbus

FOUNDATION FIELDBUS

• Los buses de campo usualmente permiten la interconexión de varios elementos “inteligentes” sobre el mismo bus en distintas topologías y brindan información adicional a la medición de la variable primaria.

Los Buses de Campo

•Constituyen un avance significativo en la utilización de la tecnología disponible por medio de la electrónica en los elementos de campo.

•La tecnología convencional utiliza un par de conductores por cada entrada o salida al sistema, sea esta analógica o discreta y sólo brinda información de la variable medida o variable primaria.

•Se han desarrollado diferentes buses de campo, los más importantes son los que muestra el gráfico siguiente.

Control de Procesos

Dispositivos Sencillos Dispositivos Complejos

Funcionalidad / Costo

Control Lógico

Sensor BussesAS-ISeriplex

Device BussesCANDeviceNetProfibus DPInterbus

FIELDBUSFoundation FieldbusProfibus PA

FIELDBUSFoundation FieldbusProfibus PA

• 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

1. Foundation FieldBus: características y ventajas

•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.

Electronics FailureSensor FailureProcess ConditionConfiguration WarningPlugged Impulse Linesetc...

Travel Deviation

Cycle Counter

Valve Signature

Step Response

Dynamic Error Band

Drive Signal

Output Signal

etc...

Electronics FailureSensor FailureProcess ConditionConfiguration WarningRTD DriftRTD Life Estimationetc...

pH Electrode AgingGlass Electrode FailureReference Electrode FailureReference Electrode CoatingReference Electrode Poisoningetc...

ConfigurationStatus / AlertsDiagnosticsCalculations

Electronics FailureSensor FailureReverse FlowEmpty PipeCalibration ErrorProcess ConditionConfiguration Warningetc...

CARACTERISTICAS VENTAJAS

•Interoperabilidad •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

PID

#2

BKCAL_IN BKCAL_OUT

CAS_IN

FF_VAL

IN

TRK_IN_D

TRK_VAL

OUT

Analog Output

#3

BKCAL_OUT

CAS_IN OUT

Analog Input

#1

OUT

Control en Campo Control en Campo

JB-2

T-1 (par simple)

T-2 (par simple)

S-11

S-12

S-13

S-14

S-21

S-22

S-23

S-24

JB-1

FOUNDATION FIELDBUS

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 “niveles” 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

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.

CARACTERISTICAS DE LA SEÑAL ELECTRICA

TOPOLOGIA

•El Fieldbus permite armar “spurs”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 los spurs.•La longitud máxima depende también de la cantidad de dispositivos conectados al segmento.•Los Terminadores son localizados uno a cada extremo del segmento.

FIELDVUE Transducer

Block(s)FunctionBlock(s)

ResourceBlock

Resource Block

Características del Dispositivo:- Nombre- Fabricante del dispositivo- Número de serie- Habilitación de recursos

Function Block(s)

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 BlockInterface con el Sensor- Información de Calibración- Información de configuración

Cada dispositivo FOUNDATION fieldbus incluye tres tipos diferentes de bloques.

APLICACION

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

RESOURCE 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

TRANSDUCER 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.

FUNCTION BLOCK

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

DEVICE DEFINITION (DDs)

Cyclic Functions Acyclic Functions

- Control Functions - Alarmas and Eventos- Información de Mantenimiento y Diagnósticos- Invocación de Programas- Permisivos- “View Data” Comunicación- Información de Trend- Configuración & Downloads

“Loop 110” period(Macrocycle) of execution

AI- Ejecución de bloques de control

Comunicación cíclica entre dispositivo y/o controlador

Comunicación acíclica

AI 110

PID 110

AO 110

Host Interface incl. LAS

PID- / AO- Ejecución de bloques de control

Co

mm

un

icat

ion

acr

oss

th

e b

us

ADMINISTRACION DE LA COMUNICACION

AI PID AO

40ms

25ms

100ms

65ms

AI PID AO

40ms

25ms

100ms

65ms

> 230 ms

Para este lazo ejemplo el tiempo mínimo de Macrociclo es de 230 ms.

PROCESANDO LA COMUNICACION

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).

AI PID AO

40ms

25ms

100ms

65ms

AI PID AO

AI PID AO

40ms

25ms

100ms

65ms

AI PID AO

> 255 ms

PROCESANDO LA COMUNICACION

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

Link Active Scheduler (LAS)

Máximo 16 dispositivos por segmento Instalación típica: 6 a 8 dispositivos por segmentos

Máximo 4 repetidores por segmento

El número de dispositivos por segmento variará según: Potencia consumida por cada dispositivo Tipo de cable usado Uso de repetidores

Los dispositivos pueden ser agregados On Line sin interrupción

TOPOLOGIA

TOPOLOGIA

Junction Box

“Bus with Spurs”

“Point-to-Point”

“Tree”

Not RecommendedNot RecommendedLow DensityLow Density High DensityHigh Density

“Daisy-Chain”

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

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 Idealmente se coloca en el dispositivo de campo con el

spur mas largo Dos y solo dos por segmento Especificación: 100 Ohm resistor, 1 F capacitor

100 Ohm 1 F

T

T

New devices

H1 fieldbus Interface

¿Donde Debería moverse el terminador si el

segmento se expande? Solo será necesario si la longitud del cable adicionado

supera los 100m

TERMINADORES

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

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

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

APANTALLADO DEL SEGMENTO

Medio de conexión entre el Trunk y Spur Provee protección contra corto circuito Provee protección a la fuente del segmento

PROTECTORES CIMA

+ - Sh + - Sh

+ - Sh + - Sh

Conexión del Trunk desde puerto H1

Conexión Spur al Dispositivo

Led Rojo encendido Indica Spur en Corto Circuito. Un LED por Spur

DATOS TECNICOS PROTECTORES CIMA

+-Shield

TRUNKSegmento

+ - Sh + - Sh

+ - Sh + - Sh

+ - Sh + - Sh

+ - Sh + - Sh

+ - Sh + - Sh

+ - Sh + - Sh

TX1 TX3 TX4 TX5 TX6TX2

T

CONEXIONADO DE PROTECTORES CIMA

DISEÑO DE SEGMENTOS

RESULTADOS DEL CALCULO

SEGMENTO FIELDBUS

Alimentación 24Vcc

H1 Port

Gabinete PLC

Caja de Campo

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

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.

CONSIDERACIONES

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

PV

TRANSMISOR DE PRESION TRADICIONAL

MEMORY_SIZENV_CYCLE_TFREE_SPACEFREE_TIMESHED_RCASSHED_ROUTFAIL_SAFESET_FSAFECLR_FSAFEMAX_NOTIFYLIM_NOTIFYCONFIRM_TIMEWRITE_LOCKUPDATE_EVTBLOCK_ALMALARM_SUMACK_OPTIONWRITE_PRIWRITE_ALM

ST_REVTAG_DESCSTRATEGYALERT_KEYMODE_BLKBLOCK_ERRRS_STATETEST_RWDD_RESOURCEMANUFAC_IDDEV_TYPEDEV_REVDD_REVGRANT_DENYHARD_TYPESRESTARTFEATURESFEATURE_SELCYCLE_TYPECYCLE_SELMIN_CYCLE_T

ResourceFIELD_VALUPDATE_EVTBLOCK_ALMALARM_SUMACK_OPTIONALARM_HYSHI_HI_PRIHI_HI_LIMHI_PRIHI_LIMLO_PRILO_LIMLO_LO_PRILO_LO_LIMHI_HI_ALMHI_ALMLO_ALMLO_LO_ALM

Analog InST_REVTAG_DESCSTRATEGYALERT_KEYMODE_BLKBLOCK_ERRPVSPOUTPV_SCALEOUT_SCALEGRANT_DENYCONTROL_OPTSSTATUS_OPTSINPV_FTIMEBYPASSCAS_INSP_RATE_DNSP_RATE_UPSP_HI_LIMSP_LO_LIM

GAINRESETBAL_TIMERATEBKCAL_INOUT_HI_LIMOUT_LO_LIMBKCAL_HYSBKCAL_OUTRCAS_INROUT_INSHED_OPTRCAS_OUTROUT_OUTTRK_SCALETRK_IN_DTRK_VALFF_VALFF_SCALEFF_GAINUPDATE_EVTBLOCK_ALM

PIDALARM_SUMACK_OPTIONALARM_HYSHI_HI_PRIHI_HI_LIMHI_PRIHI_LIMLO_PRILO_LIMLO_LO_PRILO_LO_LIMDV_HI_PRIDV_HI_LIMDV_LO_PRIDV_LO_LIMHI_HI_ALMHI_ALMLO_ALMLO_LO_ALMDV_HI_ALMDV_LO_ALM

ST_REVTAG_DESCSTRATEGYALERT_KEYMODE_BLKBLOCK_ERRPVOUTSIMULATEXD_SCALEOUT_SCALEGRANT_DENYIO_OPTSSTATUS_OPTSCHANNELL_TYPELOW_CUTPV_FTIME

TRANSMISOR DE PRESION FIELDBUS

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

Resourse Block

Instrumento

Transducer Block

Function Block

Transducer BlockLocal Indicator

Fieldbus Card

H1 Ports

Bloque LogicoSegmento FF



Segmento Fieldbus


Parámetros del Resource Block


Parámetros del Transducer Block


Parámetros del Analog Input Block


Parámetros del Transducer BlockIndicador Local


Atributos del Dispositivo FF


Parámetros del Puerto H1


Parámetros de la Placa FF


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 - >50Kohms (1)Conductor Señal + a Conductor Pantalla Abierto >20 MΩConductor Señal - a Conductor Pantalla Abierto >20 MΩConductor Señal + a Barra de Tierra Abierto >20 MΩConductor Señal - a Barra de Tierra Abierto >20 MΩconductor Pantalla a Barra de Tierra Abierto >20 MΩ

(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 - 1 µF (0.80 to 1.20 µFacceptable) (2)

Conductor Señal + a Conductor Pantalla < 300 nFConductor Señal - a Conductor Pantalla < 300 nFConductor Señal + a Barra de Tierra < 300 nF (3)Conductor Señal - a Barra de Tierra < 300 nF (3)conductor Pantalla a Barra de Tierra < 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 degradará300nF 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

EJEMPLOS DE FORMA DE ONDA INADECUADA

Forma de onda de un segmento con 3 terminadores y 300mts de cable, se puede observar que disminuye Vpp y se deforma la onda de señal

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