Curso Field Bus

5/10/2018 Curso Field Bus - slidepdf.com

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INSTRUMENTACION FIELD BUS

OBJETIVOS DE ESTE CAPITULO

• Definición de fieldbus FUNDATION

• Discutir los beneficios de fieldbus FUNDATION

• Describir fieldbus FUNDATION

GENERALIDADES

¿QUE ES FIELD BUS?

• ES UNA RED DIGITAL, EN SERIE, CON TRANSMICIONRECEPCION QUE INTERCONECTA DISPOSITIVOS DEMEDICION Y CONTROL INTELIGENTES.

• ES UNA RED DE AREA LOCAL (LAN) PARA DISPOSITIVOS DE

CAMPO.• EL NOMBRE FIELDBUS FUE DESARROLLADO POR LAFUNDACION FIELDBUS.

NOTA: LOS INSTRUMENTOS FIELD BUS PERMITE CONTROL

PID EN CAMPO Y EN VARIOS INSTRUMENTOS

LA INSTRUMENTACION FIELD BUS NO ES PROPIEDAD DE ALGUNACOMPAÑÍA EN ESPECIAL O CONTROLADA POR ALGUN PAIS EN

PARTICULAR. ESTA TECNOLOGIA ES CONTROLADA POR LAFUNDACION FIELDBUS FORMADA POR MAS DE 100 COMPAÑIASMUNDIALES LIDERES EN EL RAMO DE LA INSTRUMENTACION.

INICIOS:

• SE ESTABLECE EN SEPTIEMBRE DE 1994• NACE DE LA WorlFIT NORTH AMERICA Y LA INTEROPERABLESYSTEMS PROJECTS.

• NO ES PARA NINGUNA COMPAÑÍA EN PARTICULAR.

•LA META ES INTEROPERABILIDAD Y ESTANDARIZACION.

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ARQUITECTURA

DELTA V / AMS

PLATAFORMA ESCALABLE

INSTRUMENTOSINTELIGENTES

RED FIELDBUS H1

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INSTRUMENTOS INTELIGENTES Pueden ser remotamenteconfigurados y calibrados vía software usando el configurador adecuado.

Muchos instrumentos incluyen funciones de controlador PID que permitenrealizar un verdadero control distribuido y soportar cualquier concepto decontrol.

PLATAFORMA ESCALABLE El DeltaV host ha sido diseñado paramanejar una gran cantidad de datos, igualmente para pequeñas y grandesaplicaciones. El hardware es fácil de expander agregando controladores e

I/O adicionales.

SOFTWARE MODULAR INTEGRADO El AMS (asses managmentsystem) es un paquete que permite al usuario comisionar (dar de alta),configurar, y resolver problemas de instrumentación desde el exploradorde windows DeltaV.

MANEJO DE INFORMACION Con OLE y OPC, los datos del sistemaDeltaV pueden ser trasladados a la red de la planta y ser vistos encualquier computadora colgada a esta red.

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BENEFICIOS

4-20 TRADICIONAL

• Una variable en una sola dirección.

• 2 cables de señal por instrumento al I/O.

FIELDBUS

• comunicación bidireccional entre controlador e instrumentos.

• 2 cables de señal por cada interface H1.

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INTEROPERABILIDAD

Cualquier instrumento que desde fábrica venga con el estándar FieldBustrabajará correctamente con cualquier otro instrumento certificado por ñafundación. Sin embargo, los estándares de certificación actualmente sólo

confirman el mínimo de funcionalidad.Mínimo de funcionalidad significa que el instrumento comunicará un valor

que es esperado de este tipo de instrumento, un transmisor detemperatura producirá una señal FieldBus para el medidor de temperatura,la certificación de la fundación no garantiza que otro instrumento “bells and whistles” con FieldBus van a ser interoperables.

Cada instrumento incluye tres diferentes tipos de blocks

Resource Block

El Resource Block incluye información de sólo lectura que ayuda aidentificar el instrumento, la cual incluye:

• nombre del fabricante

• modelo

• material de construcción• Opciones del instrumento

Dependiendo del instrumento pudiera tener algunos parámetrosconfigurables, por ejemplo:

• modo (automático, manual o fuera de servicio)

• opciones de alarma• seguridad, limites de acceso o candadear opciones.

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Transducer Block

Los Transducer Blocks Son una interface para el sensor usado para medir

temperatura, presión, flujo, etc. El Transducer Block incluye calibración yotros datos, por ejemplo:

• Información de calibración

• Datos del sensor

El modo del Transducer Block (automático o fuera de servicio) es

configurable. Para desarrollar rutinas de calibración este bloque debeestar en fuera de servicio (out of service)

Function Block

Los function block(s) en un instrumento depende del tipo de instrumento.Por ejemplo. Un transmisor de presión que mide solo una variable puede

incluir solamente una AI block. De otra forma, el transmisor podría incluiruna segunda medición, por ejemplo temperatura.

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TIPOS DE INSTRUMENTOS

Controlador de ejecución

- Reconoce los instrumentos en el segmento(“Probe Node” PN )

- Determina el macrociclo (“Compile Data” CD)

comunicación programada.

- proporciona el visto bueno para transmisión noprogramada de los instrumentos (“Pass Token”)

DeltaV Tarjeta 1 (3244 or 3051)

Dispositivos básicos

- Responden a una Prueba de Nodo (PN)

- Responde a la consulta de determinación demacrociclo (CD).

- Responden a la autorización de comunicación noprogramada (“PT”)

Instrumentos de campo

Publisher Subscribe

Publish Message

CD instrumento X

instrumento X instrumento Z

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Linkmaster Device (controlador de ejecución)

El controlador de ejecución es capaz de Programar la comunicación entre

instrumentos (“Link Active Scheduler” LAS). La tarjeta H1 es el maestro enla red fieldbus. Los instrumentos fieldbus pueden también ser los maestrosen la red o el segmento y serían capaces de tomar el control si la tarjetaH1 llegara a fallar. El dispositivo maestro en el segmento lleva a cabomuchas funciones, tales como:

Comunicación Programada• Macrociclo El dispositivo maestro mantiene una lista de tiemposde transmisión para cada instrumento en el segmento.

• CD Compile Data Cuando es el turno de transmitir de uninstrumento el dispositivo maestro envía un CD message (aviso) a elinstrumento.

• Publish/Subscribe Tras recibir un CD, los instrumentos publican(publishers) datos a todos los instrumentos en el segmento. Losinstrumentos que reciben la información son llamados subscribes

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Publish/Subscribe

La tarjeta H1 soporta un máximo de 20 Publishers y 20 Subscribespor puerto, pero no se debe exceder de 25. Por ejemplo se puedentener 20 Publishers y 5 Subscribes.

Un link (enlace) es definido como una conexión entre un parámetrofieldbus en un instrumento y otro parámetro en otro instrumento delmismo segmento. Dicho de otra manera un subscribe link es unparámetro de entrada en un instrumento fieldbus, recibiendo de otroinstrumento o del controlador del DeltaV

Comunicación no programada

• Prueba de Nodo (PN) y lista de instrumentación - entre latransmisión de mensajes programados, la LAS normalmente emiteuna prueba de nodo para determinar si ha habido algún cambio enla cantidad de instrumentos en el segmento. Si han sido agregados

o removidos, la LAS lo identifica.• Visto bueno (Pass Token) - entre la transmisión de mensajesprogramados, cada instrumento tiene una oportunidad paratransmitir mensajes no programados. La LAS otorga un permisopara accesar a la comunicación no programada usando un passtoken para el instrumento. Las transmisiones no programadas se

usan para cambios en la configuración, cambios de set point,información de alarmas, etc..

CAPA FISICA (CONEXIONES DE CAMPO)

• Definición de características eléctricas

• Definición de topología

• Definir las limitaciones de distancia

• Definir las limitaciones en un segmento

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CAPA FISICA

Communcation

“stack”

Physical Layer

línea fieldbus

Voltaje

Mensaje fieldbus

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La capa física esta aprobada por la comisión electrotécnicainternacional (IEC) y la Sociedad Internacional de Medición y ControlStandard (ISA) :

1. IEC 1158-2 (1993) Estándar Internacional de capa física

2. ISA S50.02-1992 ISA capa física standard FF-816 31.25 Kbits/seg

La capa física recibe mensajes del stack de comunicación, losconvierte en señales físicas y los transmite en la línea y viceversarecibe señales eléctricas para convertirlos en mensajes.

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Las señales fieldbus son codificadas usando la técnica decodificación Manchester. Las señales de fieldbus llamadas seriesíncrona porque la información del reloj es encriptada en los datos

del instrumento. El reloj y los datos del instrumentos soncombinados para formar la codificación Manchester.

La señal fieldbus es interpretada como un bit '1' se indica

haciendo en la primera mitad de la señal igual a la última

mitad del bit anterior, es decir, sin transición al principio del

bit. Un bit '0' se indica haciendo la primera mitad de la señal

contraria a la última mitad del último bit, es decir, con unatransición al principio del bit. En la mitad del bit hay siempre

una transición, ya sea de high hacia low o viceversa. Una

configuración inversa es posible, y no habría ninguna

desventaja en su uso.

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SEÑAL FIELDBUS

15 A 20 mA

transmitiendorecibiendo

Corriente en el instrumento

Voltaje 0.75 a 1 Vpp

Alimentación9 a 32 volts

tiempo

Señal fieldbus

100 Ohm

Supply

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TOPOLOGIA

Terminador Terminador

Fieldbus power

supply

Tarjeta H1

1900 mts max.

16 inst. max.

Los instrumentos fieldbus pueden ser energizados desde la tarjeta

H1 (2 hilos) o con una fuente externa (4 hilos), los terminadoresdeben ser colocados en los extremos del segmento.

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Instrumentos por spur

Total inst. 1 inst. 2 inst. 3 inst.

1-12 120 m 90 m 60 m

90 m 60 m 30 m

60 m 30 m 1 m

Splices

JunctionBox

Terminador

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Fieldbus permite tener splices o spurs. Los splices son conexionesque tienen menos de 1 metro de distancia de la red principal (trunk).Los spurs son conexiones en la cual la distancia del instrumento al

trunk esta entre 1 y 120 metros.

• El tamaño en distancia del spur debe ser reducido en 30 mts cadaves que se agrega un instrumento al spur.

•El número de instrumentos posible en el segmento fieldbuscambiará dependiendo del consumo de corriente de cada

instrumento, el tipo de cable usado, uso de repetidores, etc.

Definiciones:

• Trunk - Bus de comunicación principal que actúa como una fuentede voltaje principal para los spurs, el cual inicia en el primerterminador y finaliza en el segundo terminador.

• Segmento - Sección de cable con características eléctricaspropias tales como su impedancia en la que se tienen que usarterminadores ( va desde el puerto H1 hasta el último terminador).

• Red - Incluye todos los circuitos, conectores, y todos losdispositivos asociados para lograr la comunicación con cadainstrumento.

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Red de control

Punto a Punto Bus con spurs En cadena En árbol

Junction Box

Cuando notengo muchosinstrumentos

Cuando quitoun instrumentose me caen lossiguientes

Recomendable

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Definiciones:

• Punto a Punto - usado para un solo instrumento

• Bus con spurs - se usa para pocos instrumentos y cuando sonaislados y separados por una gran distancia.

• Cadena - Se usa cuando las junction box no se tienen. El bus esinterconectado a la terminal de cada instrumento. Esta topología noes recomendada, ya que se corre el riesgo de desconectar uninstrumento y dejar sin comunicación a los demás.

• Arbol - Usada para aplicaciones de varios instrumentos, y losinstrumentos son cercanos entre sí.

• Puente - Se utiliza para conectar segmentos de diferentesvelocidades para formar una gran red.

• Gateway - Se utiliza para conectar segmentos fieldbus de otros

tipos de comunicación y protocolos.

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INSTALACION Y CABLEADO

• Diseñar un segmento fieldbus

• Determinar la localización de un terminador

• Especificar el tipo de cable

• Especificar los requerimientos de energía• Especificar conexiones a tierra

• Especificar conexiones de neutro

• Cablear un segmento fieldbus y verificar comunicaciones

Par de cables

Corriente+

A convertidorA/D

Sistema de Control

Instrumentode 4-20 mA

Instalación tradicional 4-20 mA transmitiendo un valor analógico por

un par de cables. En fieldbus, un par de líneas conforman unsegmento.

4-20 TRADICIONALPAG. 3-4

SEGMENTO FIELDBUS

H1 fieldbus interface

24 VDCBulk +

- PowerSupply+

- T T+-

El par de cables 4-20 puede ser convertido en un segmento fieldbussí :

• Se reemplaza el sistema de control analógico por una tarjeta H1.

• Se reemplazan los instrumentos analógicos de campo por uninstrumento fieldbus.

• Se agregan 24 VDC y una fuente de voltaje ( acondicionadora devoltaje con una impedancia calculada).

• Se agregan terminadores.

Power Conditioner

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SEGMENTO FIELDBUS

TERMINADORES

Evita distorsiones y

pérdidas de señal

• Previenen distorsión y pérdidas de señal

• Se instalan al inicio y al final de la linea de transmisión

• Dos y solamente dos por segmento

100 Ohm

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EXPANDIENDO EL SEGMENTO

NuevosInstrumentos

En este segmento que ha sido expandido. Se debe relocalizar el

terminador de su posición original hacia el último instrumento delsegmento ?

Esto sería necesario solo si el cable que se agregó mide mas de 100mts.

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TERMINADORES

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La regla para relocalizar terminadores podría ser: El terminador dellado derecho mostrado en el dibujo, esta localizado en la junctionbox, idealmente debería haber sido puesta en un instrumento decampo en el spur mas largo. Aquí se asume que los spurs son de lamisma longitud, si hubiera algún spur mas largo que oro en ese

instrumento se debe instalar el terminador.

RESTRICCIONES EN LA LONGITUDDEL CABLE

T280 M

20 M20 M

La distancia total del segmento esta limitada a 1900 mts. Ladistancia total del segmento se calcula como sigue:

Distancia total del segmento = Trunk + todos los spurs

Distancia total del segmento = 950 mts

Trunk = 800 mts

Spurs = 50 + 20 + 20 + 60

24 VDCBulk +

- PowerConditioner+

La fuente de voltaje Bulk de 24 VDC :

• La salida de corriente directa esta aislada de tierra si la fuenteacondicionadora no proporciona transformador para aislar.

• Debe ser compatible en impedancia con la fuente acondicionadora.

• Debe cumplir con los requerimientos de máximo ruido permitido enel voltaje.

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REQUERIMIENTOS DE VOLTAJE

LONGITUD DEL SEGMENTO PERMITIDOS

DISTACIA EN METROS

# DE INSTRUMENTOS

CARGA EN mA

1900 1900 1900 1623 1262 1033 874 757 710

1 3 5 7 9 11 13 15 16

20 60 100 140 180 220 260 300 320

Los instrumentos son conectados en un extremo del cable y la fuente en el otroextremo. Información adicional.

Fuente de voltaje Vo = 19 VDC a 350 mA

Mínimo voltaje para energizar un instrumento = 9VDC

Resistencia del cable tipo A = 22 Ohms/km x 2 bus de datos = 440 ohms/km

corriente requerida = 20 mA x instrumentos

Distancia permitida (km) = voltaje permitido/corriente permitida/resistencia porkilometro

ejemplo

(10 Volts/0.2 Amp) / 44 ohms/km = 1.136 km = 1136 mts

ANALISIS DE CORRIENTE DE UNCIRCUITO

24 VDCBulk +

- PowerConditioner+

Instrumentos 1-6

Instrumentos 7-13

12.14 V

9.68 V

0.6 Km. 1 Km.

El ejemplo mostrado tiene 13 instrumentos en un segmento de 1 km. La tabla anteriorindica 874 mts máximo para 13 instrumentos. Sin embargo, con el siguiente análisis:

El voltaje debe ser menor de 10 VDC = Corriente x Resistencia

El voltaje de los 13 instrumentos a 0.6 km = .260 A x 44 Ohms/km x 0.6 km = 6.86 V

Voltaje adicional de los 7 inst. a 0.4 km = 0.14 A x 44 Ohms/km x 0.4 km = 2.46 V

Voltaje total = 9.32 V que es aceptable

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CONEXIÓN EN LA JUNCTION BOX

Terminador

Junction Box

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H1 card

Power conditioner

Referencia detierra

Configuración deDispositivos FF

• Comisionar dispositivos FF.

• Descargar dispositivos FF.

• Descarga de puertos de tarjetas H1.

• Descarga de tarjetas H1.

• Configuración de transmisores FF con el AMS.

•Configuración de un módulo utilizando Dispositivo H1

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