Termini Fieldbus i Remote I/O, kao i sa njima povezani: ušteda u novcu, jednostavnost i dostupnost informacija su u žiži interesovanja kada se raspravlja o inovacijama na polju procesne automatizacije.  Karakteristike ovih koncepata povezivanja i komunikacija su potpuno razjašnjene i postoji opšte prihvaćeno gledište. Konkretna rešenja su pak uslovljena oblašću primene i uvek se izrađuju u kontekstu svih trenutno dostupnih tehnologija. Naredni inovativni koraci u ovim oblastima rezultat su razvoja mašinskog i elektro inženjeringa  i modernih informacionih tehnologija.

Na početku rasprave o uvođenju fieldbus tehnologije, potrebno je da se osvrnemo na sledeća tri aspekta:
a) Često navođen primer prihvatanja fieldbus tehnologije u industrijskoj automatizaciji ne može se direktno preneti na procesnu automatizaciju. Razlog tome je čitav niz različitih karakteristika samih oblasti primena (vidi tabelu 1.)
b) Bez obzira na dva „nova“ komunikaciona koncepta, fieldbus i Remote I/O, „klasični“ 4-20mA signal u sprezi sa point-to-point povezivanjem je i dalje daleko najčešći standard u procesnoj automatizaciji. Ovo je verovatno i posledica veoma dugog servisnog plana (15-20 godina) u procesnom postrojenju u poređenju sa zadacima industrijske automatizacije. U ovom trenutku 4-20mA tehnologija se dokazala milionima puta u upotrebi širom sveta.
c) Tri komunikaciona koncepta sa ekonomske i tehnološke tačke gledišta imaju puno pravo za postojanje. Vreme tehnoloških mogućnosti je prošlo i sada samo ekonomičnost određuje upotrebu neke tehnologije. Naravno ovo je samo kratak pregled, granični uslovi za svaki automatizacioni projekat su veoma složeni i izuzetno retko se jedan proces može direktno uporediti sa drugim. Kao primer možemo navesti knjige “System compliant expansion of old plants” tj. “Limited requirements on the maintenance personnel”, gde 4-20mA tehnologija zauzima bitnije mesto u odnosu na fieldbus.

Za korisnike su inovacije neophodne i potrebne da bi ostali konkurentni na tržištu. Uzimajući u obzir moto “Za sve je dobro vreme u granicama mogućnosti”, korisniku mora da se pruži prilika da realizuje inovacije u svom pogonu u skladu sa specifičnostima situacije i očekivanjima (tajming, koncept i resursi). Za korisnika tehnološka segmentacija pruža dobru pomoć pri izboru. Za proizvođača opreme, segmentacija je izazov i breme u isto vreme. U jednu ruku proizvođač mora zadovoljiti, svojim rešenjima, zahteve za digitalizaciju i obezbeđivanje informacija korisnicima u fieldbus segmentu kako bi osigurao konkurentnost. Sa druge strane proizvođač je pod stalnim pritiskom da ne ignoriše postojeće segmente i opremu. Sve ovo dovodi do povećanja broja varjanti istog uređaja što otežava razvoj i povećava troškove. Balansiranje dodatno otežava činjenica, da i uprkos IEC 61158 standardizaciji, fieldbus tehnologija ne podpada pod jedan standard. U ovom trenutku postoji bar 18 fieldbus sistema koje pokriva IEC 61158.

Rezultat ovoga je da proizvođači menjaju prisustvo proizvoda u segmentima i nikada jedan proizvođač ne pokriva sve segmente iz komercijalnih ili tehničkih razloga.  Kao lider u interfejs tehnologiji, Pepperl+Fuchs ima jasan krajnji cilj, da uslugom i podrškom pokrije sva tri segmenta podjednako, sa visoko inovativnim linijama proizvoda, i da pri tome obezbedi tranzicije između segmentnih tehnologija. Na ovaj način korisnik može, kao na vrtešci, ući u jedan segment bez prepreka koje su uobičajene prilikom promena. Ovakvo rešenje minimizira vreme u kome se ulaganje u opremu isplaćuje, bez obzira da li je u pitanju predstojeća investicija ili je ivesticija već učinjena.

U ovom serijalu od tri članka, biće prkazana tri segmenta i njihovi medjusobni koncepti, biće prodiskutovane tehnologije i mogući metodi tranzicije između segmenata kroz primere i prikaz opreme. Želja je autora da objektivno pomogne korisniku pri donošenju odluke, u granicama specifičnih uslova, prilikom modernizacije, proširenja postojećeg pogona, odnosno pri automatizaciji novog pogona.

K-System

Firewall za analogne signale
Najčešće korišćena komunikacioni metod u procesnoj automatizaciji je i dalje analogni prenos fokusiran na 4-20 mA strujnom signalu. Klasične strukture u fabrici se izvode u toj tehnologiji u poslednjih 30 godina: senzori i aktuatori u polju, kontroli sistem i signal kondicioneri u kontrolnoj sobi, a između njih direkntna konekcija point-to-point sasvojim razvodnim i kontrolim ormanima.

Svetski prihvaćen i korišćen
Preko 30 milinona uređaja je u polju, što čini oko 75% svih instalacija na svetu, danas koristi 4-20 mA strujni signal (sa ili bez dodatne HART funkcionalnosti). Ova tehologija predstavlja ne samo trenutni standard u procesnoj automatizaciji, već je i jasno da će još dugo to i ostati. Ovo je neobičan nalaz u vremenu agresivnog marketinga fieldbus tehnologije. Ovako čvrsta pozicija se može objasniti sledećim razlozima:

U 60.-tim godinama hemijska industrija je prihvatila ovaj standard.
S obzirom na dug očekivani radni vek ovaj standard se našao u gotovo svim postrojenjima koja su izrađena u proteklim dekadama. U tom periodu, u kome nije bilo drugih modernih tehnologija, 4-20 mA analogni signal je postao standard i dokazana konstanta pri planiranju pogona.
Sa HART tehnologijom, 4-20 mA analogni signal je ostvario modernu vezu ka svetskom digitalnom prenosu podataka. Ova modernizacija se implementira bez promene koncepta postojenjai uz zadržavanje postojećeg kabliranja.

Nalaženje pravog puta
Danas, 4–20 mA tehnologija ima takve osobine, koje korespondiraju sa uslovima definisanim automatizacionim zadacima, koje  čine ovu tehnologiju ne samo pogodnom već i atraktivnom za korišćenje u novim i postojećim pogonima.

“Fieldbus će možda ući, ali 4-20 mA ostaje starosedelac“, u skladu sa ovom tvrdnjom svaki korisnik treba, prilikom donošenja odluke, da pronađe najekonomičnije i najefikasnije rešenje u skladu sa zadatkom, veličinom pogona, cenom, mogućnošću održavanja, rentabilnošću, vremenom povraćaja uloženih sredstava i sl.

Kod izvođenja novih velikih postrojenja sa fleksibilnim procesima, fieldbus instalacije će verovatno biti prvi izbor. Fabrike u kojima se menjaju procesi i receptura su jedan primer. Pint-to-point konekcija će se takođe koristiti u novim postrojenjima u kojima su procesi fiksni i kada je potebno dugačko vreme povraćaja uloženih sedstava amortizovati njihovom niskom cenom.

4–20 mA ukratko
4-20 mA interfejs je svetski prihvaćen i nalazi se u gotovo svim uređajima u polju svih proizvođača
4-20 mA signal je kontinualno prisutan i informacije (vrednost izmerene veličine) su uvek dostupne
Postavljanje i održavanje opreme ne zahteva specijalne veštine niti alate
Posebno ožičena merna kola sa malim brojem njihovih komponenata se lako razumeju i njihova bezbednost se lako postiže
Dodatne informacije se mogu prenosti uz pomoć HART koncepta
Do 400 mW se može isporučiti uređaju u polju u zoni opasnosti od eksplozije uz očuvanje unutrašnje bezbednosti
Moderni interfejs moduli pružaju korisniku niz funkcija za nadgledanje sa ciljem povećanja performansi, što čini da ovi moduli budu mnogo više od običnih modula

Jednostavna tehnologija povećava bezbednost pogona
Bezbednost pogona je uvek ključna stavka, ništa manja posle usvajanja internacionalnih standarda IEC 61508 i IEC 61511. Sa aspekta obezbeđivanja sigurnosti, prenos signala konvencionalnim interfejs modulima je u nekim oblastima superiorniji od bus tehnologije. Jedan od razloga je integritet signala kod point-to-point ožičenja, koje je veoma pouzdano i lako dostupno. Sa druge strane korišćenje uređaja je izuzetno jednostavno. Ponašanje opreme u slučaju otkaza je stabilno i poznato, za razliku od ponašanja kompleksnih uređaja.  Konvencionalni moduli, kao što su napajanja analognih transmitera, galvanski izolatori ili izolacioni pojačavači često ne zahtevaju dodatni softver i stoga nije potrebno nikakvo ažuriranje ili provera softvera da bi se postigla sigirnost.

“Firewall” interfejsa
Integritet i dostupnost svih nivoa signala je imperativni zahtev za efikasnost pogona, a takođe i za sigurnost.  Nije dozvoljeno da se utiče na merenu vrednost ili da se ona promeni u slučaju prekida kabla ili kratkog spoja, jer bitne procesne veličine, kao što su količina proizvoda, kvalitet, cena i slično zavise od izmerenog signala.  4-20 mA signal zadovoljava te zahteve korišćenjem modernih interfejs modula za prenos, modula koji štite signal od gubitaka pri prenosu a u isto vreme nadgledaju sva merna kola u polju.

Stoga, na primer, električno izolovanje kabla mernog signala je najbolji način sprečavanja uticaja signala nepoznaog porekla u kompleksnim postrojenjima. Visokokvalitetni, neinteraktivni izolacioni moduli obezbeđuju maksimalnu otpornost na interferencu i stoga vrše funkciju „firewall“-a u konvencionalnoj automatizacionoj tehnologiji, slično firewall-ovima u IT-u.

4–20 mA: inteligencija HART-a
HART (“Highway Addressable Remote Transducer”) je varijanta digitalne komunikacije u polju koja pruža mnogo funkcionalnosti fieldbus tehnologije. Očiglena dobit za klasičnu 4-20 mA tehnologiju sa infrastrukturom baziranoj na point-to-point konekciji  je ta što je nije potrebno menjati da bi se prenosili signali. Ovde se digitalni signal moduliše u analogni korišćenjem FSK (Frequency Shift Keying) metoda. Digitalni signal prenosi informacije na primer granične vrednosti ili dijagnostiku zajedno sa izmerenim vrednostima, bez uticaja na analognu funkcionalnost. Pored toga, HART protokol omogućava integraciju uređaja u polju u inžinjerskim alatima ili master sistemima. Komunikacija sa HART uređajima se odvija preko postojećih kablova, što je neprocenjiva prednost kod modernizacije postojećih postrojenja.

Online komunikacija između kontrolnog sistema/PC-a i uređaja u polju koji podržavaju HART vrši se preko HART multipleksera. Ove informacije, kao što su merni opseg, kalibrisana stanja i statusi, tag brojevi, proizvođački ID-ovi i tako dalje ne samo da mogu da se očitaju inteligentnim uređajima u polju, već se mogu promeniti i snimiti u uređaj.  HART multiplekseri se postavljaju u prostorijama za merenje (ili u prekidačkim prostorijama) i povezuju se paralelno 4-20 mA ožičenjem.  Moderni dizajn multipleksera obezbeđuje bi-direkcioni link sa do 7963 uređaja u polju (maksimalna konfiguracija) i može se izvesti u koracima od 16 ili 32 preko RS 485 konekcije.

Interfejs modul, više od običnog konektora
Današnji interfejs moduli pokrivaju široki spektar aplikacija i lako se usklađuju sa različitim konceptima pogona. Jedan primer razmatranja različitih koncepata postrojenja pokazan je u tabeli 2.  Ovde je „point-to-point“ segment izuzetno dobro pokrio zahteve tri proizvodne linije. Razmatran je upgrade starog pogona, jer su zahtevane primene novih tehnologija. I Eurocards uz kompaktne module na šini (K-System) i motherboard varijanta (HiD2000 sistem) su bile u opciji. Mnoge komponente ove tri linije, sa svim svojim mehaničkim razlikama, bile su u skladu sa IEC 61508 (karakteristike za smanjenje rizika, Safety Integrity Level, SIL), u relaciji sa metodom zaštite u eksplozivnoj sredini Ex-i u skladu sa ATEX i sa omogućenom digitalnom komunikacijom preko HART-a. Šta više, kompletno upravljanje je uniformno korišćenjem PACTware softverske aplikacije. Primer K-Systema demonstrita sposobnosti i praktičnost ove interfejs tehnologije:

Najnovija mikrokotrolerska tehnologija omogućava mnogim uređajima multifunkcionalnost. Ova osobina smanjuje troškove ožičenja i veličinu kontrolnih ormana.
Uniformni i očigledni meniji olakšavaju ručna podešavanja, grafički
displeji prikazuju sve vrednosti podešavanja, bilo da se radi o inicijalnim ili vrednostima prilikom menjanja parametara.
Pored svega, većina uređaja ima serijski interfejs koji omogućava korišćenje PC-a za izmenu parametara.
Brzi senzori nadgledaju brzinu rotacije ili frekvenciju, a u isto vreme javljaju ukoliko se u toku rada dogodi prekid kabla ili kratak spoj. Releji motre na limite, sa tim da se mogu koristiti kao MIN i kao MAX kontakti.
Konvertori frekvencije-struje uz svoju ulogu mernih transduktera, prate ulaznu frekvenciju i u slučaju dostizanja granične vrednosti signaliziraju da je limit dostignut. Napajanja transmitera, pored svoje osnovne funkcije, takođe mogu očitavati 0/4…20 mA senzorske signale. Aktivni izvori, 2- i 3-žični transmiteri se mogu povezati na ulazima.
Analogni strujni izlazi i limit releji mogu biti izlaz iz uređaja.  Modul za kontrolu ventila napaja energijom  solenoidni ventil. Nadgleda se stanje mreže, prekid kabla i kratak spoj i u slučaju potrebe šalje se signal u kontrolnu sobu.
U isto vreme na ulazu korisnik može birati između „manual“ i „automatic“ moda
Izolirani prekidački pojačavači koriste 2:1 metod prenosa dva binarna signala preko jednog para žica. Ovaj metod smanjuje ožičenje za 50% i omogućava subsekventna proširenja sistema. Skoro 80% interfejs modula u KSystem-u obezbeđuje moderne sigurnosne tehnološke standarde u skladu sa internacionalnim IEC 61508/IEC 61511 preporukama za standard low cost uređaja.

Zaključak
“Point-to-point” ostaje u igri ne samo zbog broja pogona u kojima se upravlja upravo ovom tehnoloijom, već i stoga što je ovo rešenje tehnološki prilagođeno nekom zadatku u procesu. Za ovaj uspeh treba zahvaliti modernim interfejs modulima. Ovi moduli pored pojačavanja, konvertovanja, izolovanja i limitiranja signala, brinu i o vrednostima praćenih veličina i komunikaciji sa kontrolnim sistemom.

Remote I/O i fieldbus su mnogo bolje rešenje u velikim pogonima, sa slobodnom topologijom i tehnologijom prenosa. Te tehnologije i mogućnost prelaska između samih tehnologija će biti razjašnjene u sledećem broju.


Više informacija:
Momentum d.o.o.
, Fruškogorska 55, 22000 Sremska Mitrovica, Serbia, Tel./Fax.: +381 22 625 010, Mob: +381 62 252 818, +381 65 2622 066, Email: momentum@eunet.rs,WEB: http://www.momentum-automation.com

Aleksandar D.
Follow me