Intelligent Field Instruments and FDT/DTM Standard Inteligentní

XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005
163
Intelligent Field Instruments and FDT/DTM Standard
Inteligentní polní instrumentace a FDT/DTM standard
FORMÁNEK, Ivo
Doc. Dr., Ing.,
Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba,
708 33
[email protected]
Abstrakt: Katedra automatizační techniky a řízení, fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava
spolupracuje s mnoha průmyslovými podniky v České republice. ABB s.r.o. je jedním z nich.
Aby pomohla studentům katedry při jejich studiu, ABB předala na katedru poměrně rozsáhlý
a velmi moderní průmyslový informační a řídicí systém. Jeho součástí je i inteligentní (někdy
také smart) polní instrumentace. Součástí dodávky je i podpůrný software pro management
sběrnicově orientované polní instrumentace. Kromě programování PLC se tak mohou
studenti postupně seznámit s mnoha typy komunikačních sběrnic a komunikačních standardů.
Jedním z nejmodernějších komunikačních standardů je v současné době standard FDT/DTM
(Field Device Tool/Device Type Manager).
Klíčová slova: informační a řídicí systém, polní instrumentace, komunikační standardy.
1 Úvod
ABB je významnou mezinárodní technologickou a elektroinženýrskou společností, která
působí v České republice již od roku 1970. Její podnikatelská aktivita je zaměřena na
následující oblasti: • oblast energetiky – výroba, chránění, přenos elektrické energie • oblast
průmyslové automatizace – výroba elektrických motorů, pohonů a měničů a HW a SW
aplikace pro řízení výrobních technologií (chemický průmysl, hutnictví, výroba papíru a
celulózy, výroba stavebních hmot, strojírenský průmysl, atd.)
Do ABB group v současné době patří i několik renomovaných výrobců polní
instrumentace. Z těch nejvýznamnějších to jsou například: Bailey, Fischer+Perter,
Hartman+Braun, ABB Extrel, ABB Kent-Taylor, Schoppe+Faeser Gmbh, TBI-Bailey,
Bomem, Alfa Laval Automation a SENSYCON. Významnou část portfólia výše uvedených
výrobců představují výrobky, které lze zařadit do kategorie inteligentní polní instrumentace.
ABB se rozhodla využít své výhody komplexního výrobce automatizační techniky
a poskytla VŠB – Technické univerzitě Ostrava pro účely výuky moderní průmyslový
informační a řídicí systém (IŘS), jehož součástí jsou i inteligentní čidla. Součástí dodávky je i
podpůrný software pro management dodaných čidel. Kromě programování moderních
průmyslových IŘS se tak mohou studenti seznámit s nejznámějšími typy komunikačních
sběrnic a s nejznámějšími typy komunikačních standardů. Jedním z nich je standard
FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager).
2 Úloha současných průmyslových IŘS
Informační a řídicí systémy (dále jen IŘS) představují velmi významný integrační
a integrující činitel současných výrobních podniků. Důvodem je skutečnost, že všechny
podnikové funkce (tvorba a specifikace podnikatelského záměru, výzkum a vývoj, plánování
a technologická příprava výroby, zásobování, výrobní procesy, prodej, expedice a distribuce
výrobků, servis a zákaznické služby atd.) jsou přes IŘS vzájemně velmi úzce propojeny. Aby
XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005
164
byly IŘS skutečným přínosem pro výrobní podniky, musí být vertikálně a horizontálně
integrované, geograficky vhodně distribuované, otevřené, spolehlivé a uživatelsky přístupné.
Nedílnou součástí těchto systémů jsou dnes i inteligentní čidla.
3 Připojení čidel k IŘS
V poslední době rostou požadavky na efektivní komunikaci čidel s nadřazenými IŘS.
Stručně lze současné způsoby připojení čidel rozdělit na: • připojení pomocí proudové
smyčky 4 až 20 mA • připojení pomocí proudové smyčky 4 až 20 mA a komunikačního
protokolu HART • připojení pomocí komunikačních sběrnic.
Výhodou komunikace po proudové smyčce 4 až 20 mA je její jednoduchost, rychlost
a spolehlivost. Tento způsob se používá pro přenos informace z výstupu snímače na
analogové vstupy IŘS a pro přenos informace z analogových výstupů IŘS do akčních členů.
HART (HART Field Communication Protocol, resp. Highway Addressable Remote
Transducer Field Communication Protocol) je komunikační protokol, který je provozován
na standardní proudové smyčce 4 až 20 mA. Prostřednictvím protokolu se přenášejí data
v digitální podobě. Analogový i digitální způsob komunikace probíhá současně po stejném
kabelu.
Komunikace pomocí komunikačních sběrnic je nejmodernější způsob připojení čidel
k IŘS. Z důvodu velkého množství používaných sběrnic a komunikačních protokolů je však
tento způsob také poměrně nepřehledný - různé druhy průmyslu používají nejen různé řídicí
technologie, ale i různé typy protokolů, různé vývojové prostředky atd. Protože se přes
veškeré snahy nedaří tuto pestrost omezit (komplikuje život nejenom uživatelům, ale také
výrobcům), začala v poslední době řada výrobců automatizační techniky investovat do
nového SW standardu FDT/DTM. Tento standard využívá možností inteligentních přístrojů
(vestavěný mikroprocesor, obousměrná komunikace s okolím, vnitřní diagnostika, vlastní
parametrizace atd.) a snaží se o standardizaci připojení inteligentních čidel v oblasti SW.
3.1 Čidlo jako objekt
Koncepce FDT/DTM vychází z předpokladu, že architektura systému a modelování
objektů v automatizaci musí být pro uživatele dostatečně univerzální a flexibilní. Tento
požadavek lze splnit jen tehdy, kdy na daný přístroj pohlížíme jako na objekt.
V softwarových technologiích je metoda objektové orientace dnes standardem. Tento
přístup však většinou končí na hranici dosaženého produktu - objektu. Například funkční
bloky a signály budou přiřazeny k měřicímu bodu. Podíváme-li se na přístroje blíže, mnoho
dalších informací nám bude scházet. Jsou to např. detailní data, dokumentace, vnitřní zapojení
atd. Cílem standardizace proto musí být dostupnost všech požadovaných aspektů (pohledů)
pro uživatele v integrovaném prostředí. Příklady aspektů přístroje jako objektu automatizace
jsou: • měřicí bod • popis přístroje • katalogový, resp. technický list • konfigurační data •
kalibrační funkce • propojovací schémata • instalační schémata • funkční plánování • signál •
geografické umístění • procesní data • diagnostika • asset management atd.
Řídicí systémy - včetně svých periferií - jsou již schopny výše uvedeným požadavkům
vyhovět. Problém však nastává u připojení inteligentních přístrojů externího výrobce. Jak by
měl inženýrský nástroj generovat data k přístrojům, o kterých nic neví?
3.2 Vznik standardu FDT/DTM
Nevyužitý potenciál pro inženýrské nástroje a nástroje údržby a složité uživatelské
prostředí vedlo ke společné iniciativě. Ke konci 90. let si výrobci řídicích systémů a akčních
členů ABB, Siemens, Endress+Hauser, Invensys, Metso uvědomili potřebu vyplnit mezeru
XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005
165
mezi současnými metodami konfigurování přístrojů a vývojovým prostředím řídicích
systémů. Cílem skupiny dnes organizované pod společenstvím FDT Joint Interest Group
(FDT JIG) bylo definovat standard pro konfigurační nástroj inteligentních přístrojů
nezávislých na typu výrobce a typu protokolu (HART, FOUNDATION Fieldbus, Profibus a
Ethernet). Podobný model dnes existuje např. při jednorázovém instalování ovladače na
tiskárnu do operačního systému. Tisk a formát, informace o tiskárně, grafické zobrazení a jiné
můžeme nastavovat z Excelu, Wordu, internetového prohlížeče atd. bez nutnosti instalovat
ovladač do každého zvlášť.
Hlavními cíli společné aktivity bylo získat: • centrální stanici pro plánování, diagnostiku
a servis s přímým přístupem ke všem inteligentním prvkům • integrované konsistentní
konfigurování a dokumentace inteligentních prvků řídicího systému a sběrnic • vkládání dat
v inženýrském prostředí pouze jednou • centrální databázi a zálohování • snadné a rychlé
začlenění nového přístroje do řídicího systému • nastavení komunikace přístroje a přenos dat
přes různé komunikační úrovně.
Stručně lze tedy konstatovat, že FDT specifikuje interface pro přenos dat mezi přístroji,
softwarovými komponety a inženýrským nástrojem. Nabízí se integrace tam, kde je nejvíce
vyžadována, tedy v inženýringu, diagnostice, servisu a správě aktiv (asset managment).
Podobně jako ovladač u tiskárny i DTM obsahuje veškeré základní detailní informace
popisující daný přístroj nebo inteligentní člen (může to být i vstupně výstupní jednotka
s podporou HART protokolu atd.). DTM je zaintegrováno do systémového nástroje pomocí
sady interfejsů definovaných ve specifikaci.
Přes tyto interfejsy si DTM a hostitelská aplikace mohou zpracovávat a přenášet
potřebná data a probíhat interakce. Architektura je vysoce flexibilní a rozšiřitelná, umožňuje
implementovat pouze základní nástroje na počátku a postupem času rozšiřovat funkčnost.
Tyto funkce přibývají v jednotlivých verzích FDT. Speciální funkce používané ve
sběrnicových systémech jsou zapracované (encapsulated) v XML dokumentu, který je
přenášen přes jmenované interfejsy. Tato vlastnost umožňuje transparentní chování interfejsů
vůči sběrnicím a další případné použití nebo přidání nového sběrnicového protokolu.
Definuje se pouze nové XML schéma pro danou sběrnici mezi DTM a hostitelskou aplikací.
V současné době existuje schéma pro HART, Profibus a v nejbližší době bude rozšířeno
i o Foundation Fieldbus.
Ovladač DTM je tedy charakterizován následujícími vlastnostmi: • uživatelské rozhraní
(včetně popisu „help“ ve více jazycích) • uživatelský wizard • návod na komplexní
konfigurace • uvádění do provozu (např. kalibrace) • čtení a vypisování parametrů •
diagnostické funkce specifické pro daný přístroj • generování specifické dokumentace.
Důležité tedy je, že při tvorbě DTM jakéhokoliv přístroje není nutné znát cílovou
hostitelskou aplikaci, ve které bude nakonec používána. Komunikace DTM je
implementována tak, že se uživateli jeví, jako by existovalo přímé datové propojení
s přístrojem. DTM se nemusí zabývat různými druhy databází, správou jednotlivých souborů,
které jsou používány v konfiguračním systému.
Tzv. hostitelská aplikace - nebo-li rámcová (frame) aplikace v terminologii FDT zajišťuje následující služby: • ukládání a distribuování dat všech instancí přístrojů pro DTM •
koordinace jednotlivých verzí a archivace dat. souborů DTM • garance konsistence dat napříč
podnikovým systémem • řízení činnosti přístroje v rámci topologie klient/server • vytvoření
komunikace k přístroji a organizaci dat přes různé typy protokolů, sběrnic, adresovacích
schémat atd.
XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005
166
3.3 FDT a OPC
Posláním obecně rozšířeného standardu OPC (OLE for process control) je datové,
horizontální i vertikální propojení jednotlivých softwarových i hardwarových částí
v celkovém řešení automatizace technologického procesu. Tato platforma nabízí otevřenou
specifikaci (OPCDA, OPCDX atd.), která umožňuje výrobcům řídicích systémů
a systémovým integrátorům vyvíjet klient/server softwarové produkty sjednocující různé
isolované části řízení v jeden celek. Konečný uživatel může přes OPC získat obecný přístup
k datům navzdory různým hardwarovým výrobcům na straně zdrojů dat. Rozšiřující se Field
Device Tool u výrobců řídicích systémů a přístrojů otevírá možnost vyvinout plug and play
datový přístup, který umožňuje snadný přístup k OPC klientům. FDT standard nabízí
doplňující technologii k OPC a stejně jako OPC je také na bázi technologie operačního
systému Microsoft a COM (component object model). Dalším společným znakem je
otevřenost, která zajišťuje uživateli ochranu investic – snížení pořizovacích nákladů, zároveň
rozšiřující se produktové portfolio potenciálních výrobců.
3.4 Asset management
Mimo běžně měřenou proměnnou hodnotu se může využít řada dalších užitečných
informací o přístroji, které se přenáší do systému. Zdokonalená integrace automatizačních
systémů a údržbových, manažerských systémů v reálném čase, umožňuje přenos dat
z techologické úrovně inteligentních přístrojů přímo do CMMS. Jedná se především o tyto
informace: • rozsáhlé diagnostické funkce • self test • kalibrační funkce • volby aktualizace
parametrů • odhadovaná, zbývající doba životnosti.
Analýza v kombinaci s živými daty o přístroji bude poskytovat celkový obraz
o sledovaném objektu. Např. zvýšená teplota média nad stanovenou mez může u průtokoměru
ovlivnit jeho životnost a včasný zásah při podobných defektních stavech sníží výpadky
a náklady na opravy.
230/400V
Měnič
motoru
Profibus PA
Měření
teploty 1
Měření
teploty 2
4 – 20mA
Profibus DP
4 – 20mA,
HART
230V
Motor čerpadla
Voda
Čerpadlo
Měření
rychlosti motoru
Měření
průtoku
Nádoba
s vodou
Topná
spirála
230V
Měření
tlaku
10
Obr. 1 Zjednodušené blokové schéma laboratorní úlohy
Regulace
el. příkonu
XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005
167
3.5 FDT instalace
Od vzniku iniciativy FDT v r.2000 její rozšířenost plynule stoupá. Dnes zahrnuje více než
33 významných výrobců jako např. ABB, Endress+Hauser, Invensys, Metso, Pepperl+Fuchs,
Samson, Siemens, Smar, Vega, Rockwell Automation a další. ABB uvedlo do provozu první
rozsáhlou FDT instalaci v BASFu v Ludwigshafenu v Německu. Dnes se jedná o více 40
instalací firmy ABB. Řada instalací je v mnoha kontinentech včetně USA a Kanady. Celkový
přesnější výčet všech referencí bohužel není znám. Další firmy typu Buerkert, CEAG,
CodeWrights, Danfoss, ICS, ifak system, Krohne, M&M, Sick A.G., Softing a Wika testují
FDT a připravují vlastní certifikaci a zajištění kompatibility.
4 Laboratorní úloha s inteligentními čidly
Pro účely výuky studentů na VŠB-TU Ostrava pomáhá ABB budovat laboratorní
pracoviště, které bude vybavené moderním průmyslovým IŘS. Součástí tohoto systému jsou
i inteligentní čidla využívající standardu FDT/DTM. Provedení jedné z úloh je zjednodušeně
znázorněno na obr. 1.
C
I
8
5
4
P
M
8
6
1
A
I
8
9
5
A
O
8
0
1
D
I
8
0
1
D
O
8
0
1
A
I
8
3
0
4 – 20A, HART
Profibus DP
Modulebus
DP/PA
Profibus PA
RS 232
Operátorský panel
PP 220
Měření
průtoku
Servisní PC
SmartVision
Měnič
motoru
Obr. 2 Blokové schéma laboratorní úlohy
Měření
teploty
Měření
tlaku
XXX. ASR '2005 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 29, 2005
168
Architektura IŘS, který úlohu řídí, je znázorněna na obr. 2. Jeho hlavními
konstrukčními částmi jsou:
• Řídicí systém ABB AC800M:
- centrální procesorová jednotka PM861: 2MB flash PROM pro uložení firmware, 16MB
SDRAM pro aplikační program; komunikační rozhraní Ethernet, IEEE 802.3 standard;
komunikační rozhraní pro RS232-C; komunikační rozhraní pro optický ModuleBus.
- komunikační interface CI854 pro Profibus DP-V1
- komunikační interface AI895 pro HART protokol
- analogový výstupní modul AO801: 8 kanálů, 0 (4) až 20mA/12 bitů
- digitální vstupní moduly DI801: 16 kanálů/1 skupina, 24V ss
- digitální výstupní moduly DO801: 16 kanálů/1 skupina, 24V, max 0,5A ss; tranzistor,
odolný zkratu
- analogový vstupní modul AI830 pro RTD vstup odporového teploměru: 8 kanálů
(7+referenční spoj), termočlánky typu B, C, E, J, K, N, R, S, T –30...75mV/15 bitů
• Čidlo měření rychlosti motoru: impulsní čidlo 2048ppr.
• Frekvenční měnič: ABB ACS800-01-0006-3, ovládací panel, RFI-filtr, rozhraní pro čidlo
otáček, komunikační modul Profibus DP, optické rozhraní Modulebus, meřicí
a konfigurační software DriveWindow 2.x.
• Čidlo pro měření průtoku: ABB elektromagnetický průtokoměr COPA/MAG-XE, IP67,
komunikace Profibus PA, místní LCD displej,
• Čidlo pro měření tlaku: ABB převodník tlaku Multi Vision 265GS, IP67, komunikace
HART (4-20mA), místní LCD displej, místní ovládání vybraných parametrů, součástí
tlakoměrný zkušební ventil 967ZPA
• Čidlo pro měření teploty: ABB odporové čidlo teploty SensyTemp
Součástí dodávky ABB je i asynchronní motor: ABB M2AA112 M2, 3GAA111001,
4kW, 400VD, 50Hz, 2850rpm, IM1001, IP55, IC411, PTC termistory, nezávislé chlazení.
5 Závěr
Současní vysokoškolští studenti studijních oborů zabývajících se automatizací, mají
poměrně velmi dobrý přístup ke kvalitnímu vzdělávání v teoretických oborech průmyslové
automatizace. Průmyslová automatizace však není pouze teorie. V praxi je naopak podstatně
důležitější problematika návrhu, projektování a realizace IŘS - včetně řešení problémů
týkajících se polní instrumentace. Na technických univerzitách však k této části vzdělávání
nebývají vhodné podmínky, protože je finančně velmi náročná.
Firma ABB se proto pokusila tyto podmínky vylepšit. Studenti VŠB-TU Ostrava tak mají
možnost seznámit se s jedním z nejmodernějších IŘS, s kterými se lze v současnosti setkat na
trhu. K dispozici mají i nejrůznější typy čidel a komunikačních standardů – včetně standardu
FDT/DTM.
6 Použitá literatura
KŘENA, M. 2004: FDT/DTM – standard budoucnosti. Automatizace, roč. 47 (2004),
č. 12, s. 728-730.
SUCHÝ, K. 2004: FDT/DTM – klíč k potenciálu komunikačních sběrnic.Automa, roč. 10
(2004), č. 7, s. 46-47.