Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Článek popisuje využití komunikačního standardu Foundation Fieldbus v praxi při měření teploty s ohledem na komerčně dostupné prostředky z nabídky firmy ABB. Použití metody je ukázáno na příkladu.
V roce 1970 započaly první pokusy o distribuci řídicích funkcí na úroveň technologických provozů. Se zavedením distribuovaných řídicích systémů (Distributed Control System – DCS) bylo v závodech se spojitými technologickými procesy možné rozmístit řídicí funkce po celém technologickém zařízení.
Provozní přístroje (snímače, akční členy) mohly mezi sebou v té době komunikovat jen ve velmi malém rozsahu, pokud vůbec, a do DCS posílaly minimum údajů. Většina přístrojů komunikovala s řídicími jednotkami prostřednictvím pneumatických nebo elektrických analogových (4 až 20 mA) signálů. Informace o reálném procesu byly neúplné a často se získávaly interpolací, dedukcí anebo při použití nákladných bran a proprietárních systémů sběru dat. Složitost zařízení a náklady spjaté se získáváním dat byly vysoké a reálný čas byl na hony vzdálený.
Organizace Fieldbus Foundation přinesla změnu
Na sklonku roku 1994 nabral vývoj v oblasti provozních komunikačních metod nový, slibný směr. Dvě dosud souběžně působící konsorcia dodavatelů řídicí techniky, InterOperable Systems Project (ISP) a WorldFIP North America, se spolu spojila a vytvořila organizaci Fieldbus Foundation. Tato nová organizace okamžitě přinesla do oblasti snah o vytvoření mezinárodně uznávaného standardu provozní digitální sběrnice určité „nadkritické množství paliva“. Zorganizovala vývojové programy, prováděla provozní zkoušky a zavedla program ověřování a registrace přístrojů a zařízení určených pro sběrnicové systémy, který je nejpřísnější v tomto odvětví průmyslu.
Vzájemnou spoluprací výrobců, uživatelů, akademických institucí a dalších zainteresovaných subjektů, kteří se stali členy organizace Fieldbus Foundation, vznikla otevřená specifikace známá jako Foundation Fieldbus (FF). Tento moderní systém digitální komunikace byl od samých základů vytvořen k podpoře kritických řídicích úloh zcela nezbytně vyžadujících spolehlivý přenos a zpracování dat. Sběrnice FF vznikla s cílem nahradit nekompatibilní sítě a systémy otevřenou, dokonale propracovanou a ucelenou strukturou pro přenos dat umožňující realizovat distribuovaný deterministický (s vlastnostmi reálného času) řídicí systém napříč celým podnikem.
Od té doby byly dodány miliony uzlů a uvedeny do chodu stovky tisíc sběrnicových systémů typu FF.
Úspěšně fungující systémy FF lze najít v petrochemických závodech, v rafineriích, při těžbě ropy, zemního plynu i nerostných surovin, v chemickém, hutním a papírenském průmyslu, v potravinářství a při výrobě nápojů, v infrastrukturních sítích atd.
Měření teploty odporovým teploměrem
Měření teploty není ze shora uvedeného žádnou výjimkou. Většina převodníků teploty je vybavena elektronikou, která jim umožňuje komunikovat po sběrnici FF. Fyzikální principy měření teploty přitom zůstávají stejné jako dosud. Příkladem současného provozního přístroje s rozhraním FF je převodník teploty TMT 162 od firmy Endress+Hauser (obr. 1).
Větší přesnost měření
Přestože odporové teploměry (Resistance Temperature Detector – RTD) vynikají mezi ostatním čidly teploty téměř lineární převodní charakteristikou, je třeba jejich výstup linearizovat. Převodník TMT162 nabízí ke zvýšení přesnosti měření teploty dvě metody. Jsou to:
-
uživatelská linearizace, při níž se s použitím konfiguračního softwaru E+H Readwin 2000 v PC nebo ručního konfigurátoru s rozhraním HART vloží do převodníku TMT162 data určující individuální charakteristiku čidla, z nichž poté převodník generuje uživatelskou převodní závislost teploměru,
-
aproximační model, využívající Callendarův-Van Dusenův vzorec RT= R0[1+ AT + BT2 + C(T – 100)T3], kde A, B a C jsou konstanty, obecně známé jako Callendarovy-Van Dusenovy koeficienty, R značí odpor čidla a T teplotu; přesné hodnoty koeficientů A, B a C jsou odvozeny z kalibračních dat odporového čidla a jsou známy pro každý snímač; namísto použití univerzální standardní převodní křivky definované v normě se při kalibraci do převodníku TMT162 vloží hodnoty koeficientů platné pro dané odporové čidlo.
Přizpůsobením převodníku odporovému čidlu libovolnou z uvedených metod se podstatně zlepší přesnost celého teploměrného řetězce. Je tomu tak proto, že moderní převodník umožňuje využít skutečnou závislost odporu čidla na teplotě namísto závislosti idealizované.
Komplexní konfigurování převodníku
Všechny konfigurační parametry řetězce pro měření teploty zmíněného typu lze do řídicího systému vložit prostřednictvím jediného parametrizačního okna přímo na inženýrské stanici. Není k tomu třeba žádné komunikační zařízení, i když, je-li to požadováno, může být použito i to. Převodník se konfiguruje v celé šíři jeho funkcí. Je třeba nastavit nejen parametry související s vlastním měřením teploty, ale také parametry komunikace a provozní režimy. S téměř žádným zařízením provozovaným na sběrnici FF tudíž nelze pracovat pouze intuitivně. Při jejich použití je nezbytné počítat s mnoha hodinami strávenými studiem uživatelských příruček zvlášť pro každou jednotlivou skupinu produktů použitých v daném provozu. Horní část parametrizačního okna přístroje třídy AI – FF je ukázána na obr. 2.
Připojení převodníku
Převodník je připojen do systému přes tzv. připojovací moduly (linking devices – LD). Připojovací modul FF od firmy ABB má čtyři kanály pro připojení čtyř segmentů sběrnice FF kategorie H1. Každý ze segmentů může obsluhovat několik provozních přístrojů. Převodník s čidlem teploty může být připojen spolu s ostatními provozními přístroji k témuž segmentu sběrnice. Například může být velmi výhodné mít k témuž segmentu připojený jak ventil pro řízení teploty, tak i převodník, který ji měří. PID regulátor pak může být realizován přímo v procesoru korektoru polohy regulačního ventilu, nezávisle na DCS.
Přenosová rychlost sběrnice FF typu H1 je 31,25 kb/s. Touto rychlostí mezi sebou přímo komunikují provozní přístroje připojené k jednomu segmentu sběrnice (segment H1). Dále je součástí standardu FF sběrnice HSE (High Speed Ethernet) s přenosovou rychlostí 100 Mb/s, jejímž základem je standard Ethernet a která funguje především jako výkonná páteřní sběrnice propojující segmenty H1. Prvními zařízeními podporujícími sběrnici HSE, která jsou nyní na trhu, jsou právě připojovací moduly pracující jako brána mezi provozními přístroji připojenými k segmentům H1 a dílčí sítí HSE. Příklad provedení připojovacího modulu FF je na obr. 3.
Způsob organizace připojovacích modulů FF do sítě HSE (Ethernet) je ukázán na obr. 4 (přístup do sítě HSE je realizován přes standardní ethernetový přepínač, který se v konfiguračním nástroji nezobrazuje). Živá data jsou přenášena prostřednictvím OPC na operátorský displej. Jsou-li provozní data potřebná také v řídicí jednotce, stává se zapojení trochu složitějším. Situaci ukazuje schéma na obr. 5, převzaté z dokumentace reálného projektu. Je patrné, že je třeba použít zvláštní proprietární modul ABB CI860 (obr. 6), aby bylo možné přenést data ze segmentů FF do řídicích jednotek řady AC800M.
Jakmile je převodník teploty TMT 162 (stejně jako každý jiný provozní přístroj s rozhraním FF) správně připojen a je zapnuto jeho napájení, sám se přihlásí na sběrnici a objeví se v seznamu „živých“ zařízení v řídicím systému (obr. 7). Současně jsou nastaveny implicitní hodnoty všech jeho parametrů spolu s unikátním výrobním číslem přiděleným přístroji jeho výrobcem (Device ID).
Jakmile je převodník k dispozici v síti, může se začít s jeho konfigurováním a programováním.
Závěr
Technika sběrnice Foundation Fielbus (FF) zasahuje do oblasti měření teploty stejně jako do všech ostatních oblastí měření a akčních zásahů realizovaných podle moderní koncepce řízení spojitých technologických procesů. Menší náklady na kabeláž, možnost použít vedení segmentů sběrnice H1 také k napájení provozních přístrojů a výhodné konfigurování celého sběrnicového systému z jednoho místa jsou velmi přesvědčivé důvody, pro než zákazníci volí tuto techniku stále častěji.
Článek je editovanou verzí autorova příspěvku Temperature measurement and Foundation Fieldbus technology publikovaného ve sborníku z konference Měření a regulace teplot v teorii a praxi, Ostrava, duben 2009, ISBN 978-80-87294-02-4.
Obr. 1. Sběrnicový převodník teploty Endress+Hauser TMT 162 s rozhraním Foundation Fieldbus, popř. HART
Obr. 2. Horní část parametrizačního okna provozního přístroje třídy Foundation Fieldbus třídy AI (Analog Input)
Obr. 3. Připojovací modul k propojení segmentů H1 s páteřní sítí HSE
Obr. 4. Organizace připojovacích modulů FF do sítě HSE
Obr. 5. Uspořádání systému při přenosu dat současně na operátorský displej a do řídicí jednotky (část dokumentace reálného projektu): CI860 – proprietární komunikační modul ABB, PM864 – řídicí jednotka, LD800 HSE – připojovací modul FF
Obr. 6. Konfigurování hardwaru sítě FF: komunikační modul ABB CI860 (symbolická proměnná: HSE_HOST_001, adresa IP: 192.168.1.151)
Obr. 7. Převodník teploty Endress+Hauser TMT 162 na seznamu aktivních zařízení v řídicím systému