Download pdf - Tong Quan Ve Fieldbus

2008 Roadshow WorkshopSingapore, Vietnam

FOUNDATION™ FieldbusTổng quan về FF

Ho Chi Minh City, Vietnam22nd July 2008

Lin Yew Chai

© 1999 – 2005 Fieldbus Foundation2

Cơ bản về lớp H1• Fieldbus (Bus trường) là gì?• Kiến trúc được tính hợp

Những lợi ích của H1• Chuyển tải nhiều dữ liệu hơn• Mở rộng khả năng xem thông số công nghệ và thiết bị đo đếm• Giảm số lượng phần cứng hệ thống• Giàm số lượng dây nối• Tóm tắt• So sánh giữa 4-20mA và Fieldbus

Công nghệ Foundation Fieldbus• Công nghệ mạng của H1• Intrinsic Safety. • DD và tập tin CFF• Ví dụ về lắp đặt Fieldbus tiêu biểu• Các thành phần của Fieldbus• Mô hình H1 Fieldbus

Cơ bản về Bus trường (Fieldbus)


(Công nghệ Fieldbus tiếp theo)

• Ứng dụng của người sử dụng – Gồm các khối tài nguyên, chuyểnđổi và chức năng

• Các Khối chức năng chuẩn• Ví dụ 1 Loop điều khiển• Kết nối H1 theo kiểu Master dự phòng• Kết nối H1 theo kiểu kích họat theo thời gian• Kết nối H1 theo kiểu tối ưu hóa theo thời gian

Demo

• Ví dụ về kết nối H1 Fieldbus• Thiết bị của nhà sản xuất thứ ba trên kết nối H1 Fieldbus • Các kiểu điều khiển trên kết nối H1

Cơ bản về Bus trường


H1 Basic ReviewH1 Basic Review((TTổổngng quanquan cơcơ bbảảnn vvềề H1)H1)



Bus trường là gì?1. Fieldbus là hệ thống truyền thông sử dụng tín hiệu số, 2 chiều, đa điểm.2. Kết nối H1 (31.25kbps) được sử dụng đề kết nối các thiết bị field instrument

(cảm biến, bộ actuators và I/O)3. HSE (kết nối Ethernet tốc độ cao, 100mbps) cung cấp khả năng tích hợp

giữa các bộ điều khiển tốc độ cao, các hệ thống con (thông qua thiết bị kếtnối trung gian) và máy chủ dữ liệu, trạm làm việc.Máy chủ dữ liệu


Kiến trúc hệ thống được tích hợp1. Hệ thống Quản lý thông tin (MIS), hệ thống Quản lý doanh nghiệp (ERP), và

Giao diện người máy (HMI) truy cập thông tin của H1 thông qua máy chủ dữliệu.

Máy chủ dữ liệu

Gói ứng dụng giảipháp doanh nghiệp vànhà máy

(H1 và HSE)Nhà máy/XưởngCác thiết bị đo đếmvà điêu khiểnH1-Fieldbus Network

HSE/FTE

Data Servers

MISERPHMI


H1 BenefitsH1 BenefitsLLợợii ííchch ccủủaa H1H1



Nhiều thông số có giá trị hơn1. Bus trường cho phép nhiều thông số từ thiết bị được truyền vào hệ thống

điều khiển phục vụ công việc lưu trữ, báo cáo, bảo dưỡng ngăn ngừa vàquản lý tài sàn.

2. Đặc tính chống nhiễu của truyền thông tín hiệu số cho phép cải tiến khả năngđiều khiển mang lại lợi ích cho sản xuât.

Traditional 4-20mA One Variable (One Direction)

PV

Control System Network

Controller

I/O Subsystem

4-20mA

Fieldbus Multiple Variables (Both Directions)

PV, Mode, Variables, Alarms, Diagnostics, etc.

HSE (FTE)

FIM4

H1Digital Signal


Mở rộng khả năng quan sát các thiết bị côngnghệ/đo đếm

1. Khả năng tự chẩn đóan và truyền thông của thiết bị thông minh (Smart field devices) giúp giảm thời gian dừng và tăng độ an toàn cho nhà máy.

2. Nhân viên vận hành và bảo dưỡng nhà máy có thể được thông báo về hưhỏng và có hành động khắc phục kịp thời và an tòan.

Fieldbus Extends View to Field Instrument


HSE (FTE)

FIM4

Traditional 4-20mA View stops at I/O Subsystem

PV


Controller

I/O Subsystem

H1Digital Signal4-20mA


Giảm phần cứng hệ thống1. Những khối chức năng lập trình chuẩn SFB (Standard Function Blocks) được

sử dụng để thực thi việc điều khiển.

2. Nhiều chức năng của hệ thống điều khiển như AI, PID và AO có thể đượcthực hiện tại thiết bị ngoài site thông qua việc sử dụng các SFB (Standard Function Blocks) .

3. Việc phân tán chức năng điều khiển vào trong các thiết bị field instrument giúp giàm số lượng phần cứng cần thiết.

Fieldbus Extends Control and I/O to Field Instrument


HSE (FTE)

FIM4

Traditional Control and I/O requires extra hardware

PV


Controller

I/O Subsystem

PID

AI AO

PIDAI

AO

H1Digital Signal4-20mA


Tiết kiệm dây nối1. Lớp H1 cho phép nhiều thiết bị được nối vào 1 cặp dây duy nhất.

2. Kết quả là giảm lượng dây cần thiết, giảm barrier và giảm số lượng tủ đấudây

One I.S Barrier, One Wire for Many Devices

HSE (FTE)

FIM4

Traditional 4-20mA wiring, One I.S Barrier, One wiring for each Device

PV


Controller

I/O Subsystem

PID

I.S

AO

H1I.S I.S I.S

Digital Signal


4-20mA


Tóm tắt1. Giảm số lượng dây và bảng nối dây.

2. Giảm số lượng IS barrier.

3. Giảm số lượng các bộ chuyển đổi Input/Output.

4. Giảm số lượng nguồn cung cấp và tủ Cabinet.

5. Giảm kích thước của phòng chứa thiết bị.

6. Khả năng cấu hình thiết bị từ xa.

7. Nhiều thông tin có ích hơn cho nhân viên vận hành.

8. Tăng khả năng chính xác trong đo đếm.

9. Dễ dàng phát triển do sử dụng các khối chức năng chuẩn SFB (standardized function blocks).

10. Tăng sự tinh vi và linh động cho các thiếy bị field instrument.

11. Tăng khả năng khởi động do ít thiết bị và khả năng tự chẩn đóan và chẩnđóan từ xa.



So sánh 4-20mA và Fieldbus

4-20mA

P.S.4-20mA

Fieldbus

P.S.

1. H1 vẫn kế thừa và tối ưu hóa các đặc tính ưu việt củahệ thống tương tự 4-20mA:

- Bảo tòan loop đơn.- Kết nối chuẩn sử dụng dây dẫn.- Nguồn cung cấp trên 1 cặp dây.- Tùy chọn intrinsic safety (IS).

2. Hơn nữa, FOUNDATION Fieldbus còn cho phép:

- Tăng khả năng cho các thiết bị (do truyền thôngbằng tín hiệu số).

- Giảm số lượng dây và thiết bị nối (nhiều thiết bịtrên cùng 1 dây).

- Tăng khả năng lựa chọn nhà cung cấp thiết bị.- Giảm tải cho phòng điều khiển (do giảm dây dẫn).- Kết nối vào mạng backbone HSE.


FOUNDATION fieldbusFOUNDATION fieldbusTechnologyTechnology

CôngCông nghnghệệ bus bus trưtrườờngng (FF Bus)(FF Bus)



Mạng H1

HSE (FTE)

FIM4

H1Digital Signal

1900 meters

1. Đa điểm trên 1 cặp dây, nguồn cấp và tín hiệu trên cùng 1 cặp dây.

2. Hỗ trợ Intrinsic Safety (IS).

3. Khả năng chịu lỗi, có thể có đa kết nối Master.

4. Khối chức năng (FB) được thiết lập tại thiết bịngoài site.

5. Sử dụng kết nối software – bảo tòan loop đơn

6. Khỏang cách lên đến 1.9 km.

7. Có thể lắp thêm bộ lặp đểmở rộng khỏang cách> 1.9 km.

8. Tối đa 4 bộ lặp có thểđược sử dụng để tăngkhoảng cách lên 9.5km. R

Distance > 1900 meters

H1 Digital Signal

Fieldbus Signal


Intrinsic Safety (IS)

Phòng điều khiển Field

T

Dâydẫn

Hộp đấu dây

Thiết bị tại Field

Nguồn điện

Hệ thốngđiềukhiểnchính

Ổn áp/dòng

T

I.S Interface

I.S certified devices

I.S certified devices

Terminator

Spur

Thiết bị tại Field


Tập tin DD (Device Description) và CFF (Common File Format)

ConfigurationSystem

H1 Network

1. Thiết bị Field instrument bao gồm:

• Thiết bị thực tế.• Tập tin Device Description (DD).• Tập tin Common File Format (CFF).

2. DDs and CFFs được cung cấp bởi nhàcung cấp thiết bị.

3. Những thông số chuẩn được cấu hìnhtrong thiết bị. Có thể tuỳ chọn để cấu hìnhthông số đặc biệt của nhà sản xuất.

4. Những thông số và khả năng của thiết bịđược định nghĩa bên trong tập tin – DD và CFF.

5. Những tập tin này được nhập vào cấuhình off-line.

DD & CFF

Instruments described with

Device Description Language

www.fieldbus.org

FIM4


Tập tin DD và CFF 1. Tập tin mô tả thiết bị cho phép thiết bị của các nhà cung cấp khác nhau sử

dụng fieldbus có thể họat động trên 1 hệ thống điều khiển.

2. Tập tin Common File Format (CFF) là tập tin mô tả chức năng và khả năngcủa thiết bị field. Tập tin CFF được sử dụng cùng với DD để cho phép hệthống điều khiển cấu hình hệ thống off-line.

3. Tập tin CFF files là tập tin ASCII chuẩn.


Lắp đặt Fieldbus tiêu biểu

PC Power supply

T

PC Power supply

T

24V DC Bulk power

• 1 ví dụ về mạng hìnhhình cây.

• Nguồn dự phòng, bộchỉnh nguồn điện đượcđịnh nghĩa bởi FF-831, Fieldbus PST spec.

• Tiêu biểu 10-12 thiết bịtrên 1 phân đọan(segment).

• Nhánh rẽ (Spur) bảo vệngắn mạch.

• Khỏang cách 1900 mét.• Tối đa 9500 mét có sử

dụng bộ lặp.

TrunkSpur

Segment

Field Devices

Control System (Host)Fieldbus Interface Module

FFFF--831831


Thành phần của Fieldbus

Trạm làm việcTrạm làm việc

TransmittersTransmitters

HMIHMI

TerminatorTerminator

NguồnNguồn

Junction Box(hộp nối dây)Junction Box(hộp nối dây)H1 Bus Wire (Spurs)H1 Bus Wire (Spurs)

HSE (FTE) CableHSE (FTE) CableConditionerConditioner

ActuatorActuator

Modul giao tiếp FieldbusModul giao tiếp Fieldbus

TerminatorTerminator

H1 Bus (Trunk)H1 Bus (Trunk) Hazardous Area (Field)

Safe Area (Host)

FOUNDATIONFOUNDATION™™ Fieldbus SystemFieldbus System


Mô hình lớp H1Công nghệ H1 FF bao gồm:

• Lớp vật lý.• Stack truyền thông.• Lớp ứng dụng người dùng.

Mô hình được phân lớp OSI được sử dụng để mô hìnhhóa các thành phần này của H1.

• Lớp vật lý là lớp OSI số 1.• Lớp kết nối dữ liệu là lớp OSI số 2.• FMS là lớp OSI số 7.• Stack truyền thông là hỗn hợp

lớp 2 và 7• FAS ánh xạ FMS vào trong DLL

(Lớp kết nối dữ liệu).


1. Lớp vật lý nhận thông tin từ lớp stack truyền thông và chuyển đổi thông điệpthành tín hiệu vật lý trên phương tiện truyền và ngược lại.

2. Việc chuyển đổi bao gồm thêm và bớt preambles, bắt đầu delimeters và kếtthúc delimeters.

Mô hình H1 Fieldbus


1. Lớp stack truyền thông bao gồm lớp 2 và lớp 7.

2. Lớp 2, Lớp Data Link Layer (DLL) kiểm sóat việc truyền thông điệp vào trongBus trường thông qua bộ định thời kích họat Link Active Scheduler (LAS).

3. FAS sử dụng chức năng định thời vàđịnh thời của DLL để cung cấpdịch vụ cho FMS.

3. Dịch vụ FMS cho phép cácứng dụng của người dùng gửi thôngđiệp đến từng thành viên trong bus bằng cách sử dụng tập thông điệp chuẩn.

Mô hình H1 Fieldbus


Ứng dụng của người sử dụng - Blocks1. Fieldbus Foundation đã định nghĩa 1 lớp ứng dụng người sử dụng chuẩn

dựa trên các khối ”Blocks”.

2. Những Block là đại diện của các chức năng ứng dụng khác nhau.

3. Những kiểu của khối được sử dụng trong User Application được mô tả nhưsau:

• Resource Block, (Khối tài nguyên)• Transducer Block, (Khối chuyển đổi)• Function Blocks. (Khối chức năng)

4. Những thiết bị được cấu hình sử dụngKhối Resource Block và Transducer Block.

5. The Control Strategy được xây dựng bằngFunction Blocks.


Resource Block – Khối tài nguyên1. Resource Block mô tả những đặc tính của thiết bị fieldbus chẳng hạn như tên

thiết bị, nhà chế tạo và số serial, v.v

2. Duy nhất 1 Resource Block cho 1 thiết bị.

Control Builder Project tab

FIM H1 link interfaces

Device

DeviceResource block

Transducer block


Transducer Block – Khối chuyển đổi1. Transducer Blocks được sử dụng để cấu hình cho thiết bị.

2. Transducer Blocks được yêu cầu để đọc giá trị của cảm biến và lệnh lấy giátrị.

Control Builder Project tab

FIM H1 link interfaces

Device

DeviceResource block

Transducer block


Function Blocks – Khối chức năng1. Control System Strategy được xây dựng bằng cách sử dụng khối chức năng

(Function Blocks). Thông số đầu vào/ra của khối chức năng được nối thôngqua fieldbus.

2. Việc thi hành mỗi khối chức năng được lập trình chính xác theo thời gian(schedule) và vì thế có thể có nhiều khối chức năng trong 1 ứng dụng đơn.

AI Block PID Block

AO Block


Standard Function Blocks – Khối chứcnăng tiêu chuẩn

Function BlocksFunction Blocks AbbreviationAbbreviation Class TypeClass TypeAnalog Input AI InputAnalog Output AO OutputBias/Gain BG ControlControl Selector CS ControlDiscrete Input DI InputDiscrete Output DO OutputManual Loader ML ControlProportional/Derivative PD ControlProportional/Integral/Derivative PID ControlRatio RA Control

1. Fieldbus Foundation định nghĩa 10 khối Function Blocks tiêu chuẩn cho việcđiều khiển cơ bản.



Function BlocksFunction Blocks AbbreviationAbbreviation Class TypeClass Type

Timer TMR Control

Device Control DC ControlOutput Splitter OS ControlSignal Characterizer SC ControlLead Lag LL ControlDeadtime DT ControlIntegrator (Totalizer) IT ControlSetpoint Ramp Generator SPG ControlInput Selector IS ControlArithmetic AR Control

Analog Alarm AAL Control

2. 11 chức năng tiêu chuẩn khác cũng được định nghĩa cho việc điều khiển.



Function BlocksFunction Blocks AbbreviationAbbreviation Class TypeClass TypeMultiple Analog Input MAI InputMultiple Analog Output MAO OutputMultiple Discrete Input MDI InputMultiple Discrete Output MDO Output

3. Thêm 4 khối khác cho việc điều khiển.


AI Block PID Block

AO Block

HSE (FTE)

FIM4

PIDAI

AO

H1 Fieldbus

1. Control Strategy có thể được tạo nên bằng cách sử dụng khối chức năng cấuhình bên trong thiết bị field.

2. Một transmitter nhiệt độ đơn giản có thể bao gồm khối AI. Một van điều khiểncó thể bao gồm PID cũng như AO.

3. Vì vậy, 1 loop điều khiển có thể được tạo nên bằng cách sử dụng 1 transmitter nhiệt độ và 1 van điều khiển. Việc điều khiển tại site không cầnController.

Ví dụ về 1 loop điều khiển sử dụng khối chúc năng(FB) đuợoc đặt tại thiết bị ngòai site.

Ví dụ về module điều khiển.

Ví dụ về loop điều khiển


Kết nối H1 Master theo kiểu dự phòng1. Hai lọai thiết bị được định nghĩa trong DLL. Thiết bị kết nối Master và Basic

Device (thiết bị cơ bản).

2. Thiết bị kết nối Master có khả năng trở thành Link Active Scheduler (LAS). Thiết bị cơ bản không có chức năng này.

BKUP LAS

PRIM LAS

BASIC Device


Kết nối H1 LAS1. LAS cung cấp truyền thông được định thời điều khiển(*) thông qua mạng H1.

2. LAS cung cấp truyền thông không định thời điều khiển(**) thông qua mạngH1.

3. LAS giữ 1 danh sách thiết bị đang kết nối (thiết bị mà đáp ứng với token pass) nó sử dụng để nhận dạng thiết bị trên từng kết nối H1.

4. Data Link Time Synchronization để tất cả thiết bị có thời gian kết nối chínhxác.

5. Đảm bảo LAS Backup hay LAS Redundancy. Nếu 1 LAS mất kết nối, mộttrong những kết nối Link Master sẽ trở thành LAS và việc họat động tiếp tục.

(*) Gửi thông điệp CD tới thiết bị mà cho phép thiết bị gửi lại dữ liệu được yêu cầu khi nhận được lệnh CD.(**) Đưa ra 1 tokenpass tới thiết bị mà cho phép thiết bị gửi thông điệp cho đến hết khi kết thúc thời gian giữ

token.


H1 Link Active Scheduler

AI 110

Scheduled UnscheduledClosed loop control Alarms/Events

Maintenance/Diagnostic InformationProgram InvocationPermissives/InterlocksDisplay InformationTrend InformationConfiguration

loop 110 period of execution

PID 110AO 110

Function Block Execution

Scheduled Communication

Unscheduled Communication

Function blocks:

1. Truyền thông định thời và không định thời của loop PID.


Tối ưu hóa kết nối định thời1. Sử dụng hiệu quả băng thông của Fieldbus.

2. Quan trọng khi sử dụng việc điều khiển thông qua kết nối mềm (software).

3. Cho phép quản lý thời gian tốt hơn trên 1 kết nối.

4. Tối ưu hóa kết nối định thời mang lại cải tiến đáng kể trong việc sử dụng hiệuquả băng thông.


• Ví dụ - Ba Transmitters (Không được tối ưu hóa)Việc tối ưu hóa kết nối định thời mang lại sự khác biệt

AI1

AI1-[OUT]

AI2

AI2-[OUT]

AI3

Macrocycle Time

AI3-[OUT]

ISEL

PID2-[OUT]

AO

AI1

AI2

AI3

ISel PID AO

Tối ưu hóa kết nối định thời


AI1

AI2

AI3

ISel PID AO

AI1

AI1-[OUT]

AI2

AI2-[OUT]

AI3

Macrocycle Time

AI3-[OUT]

ISEL

PID2-[OUT]

AO

1. Nhiều khỏang thời gian khôngbị ngắt trong truyền thông.

2. Việc không định thời tốt hơn.

3. Thời gian mở màn hình thôngsố thiết bị nhanh hơn, etc.

4. Giảm độ trễ.

Tối ưu hóa kết nối định thờiViệc tối ưu hóa kết nối định thời mang lại sự khác biệt

• Ví dụ - Ba Transmitters (Được tối ưu hóa)


DemonstrationDemonstrationHHệệ ththốốngng Demo Demo vvàà hhììnhnh ảảnhnh



www.fieldbus.org

Thank You