Ez a lecke a FFB-on való kommunikációk ütemezésének alapjairól szól. Első dolgunk legyen az, hogy áttekintjük, miféle kommunikációkról is van szó!
A FFB-ra kötött eszközök feladatait két csoportra oszthatjuk:
- Szigorúan azonos idővel ismétlendő feladatok
- Maradék időben megoldható feladatok.
A szigorúan ütemezendő feladatok:
- Bemenetek olvasása
- Szabályzó algoritmusok végrehajtása
- Kimenetek írása
Maradék időben megoldható (?):
- Paraméterek fogadása felső szintről
- Paraméterek feladása felső szintre
- Önadminisztráció (lásd később)
Azt gondolom könnyű belátni, miért azok vannak az első csoportban akik.
Egy szabályzókör beavatkozásainak ciklusideje akkor jó, ha tízszer rövidebb a szabályozott szakasz időállandójánál. Ha ez nem teljesül, a szabályzásunk megbolondulhat. (Pl. a nyomás már rég elszaladt, mi pedig még rá se néztünk a távadóra...)
Szóval a kontroll az elsődleges. A kontroll meghatározott feladatok kötött sorrendben való végrehajtását jelenti. Ezek a feladatok tipikusak, így létrehozhatók olyan programblokkok, melyek egy-egy ilyen tipikus feladatot látnak el.
A FFB alapvető funkcióblokkjai a következők:
- AI analóg bemenet olvasása
- AO analóg kimenet írása
- B bias
- CS control selector
- DI kétállapotú bemenet olvasása
- DO kétállapotú kimenet írása
- ML kézi töltés
- PD PD szabályzó
- PID (ezt nem árulom el...)
- RA arány
Hol futnak ezek az algoritmusok?
Természetesen a terepi eszközbe épített hardvereken. A távadóba pl. beépíthető az AI blokk, szelep pozícionálóba az AO blokk, és így tovább...
Nézzünk egy egyszerű szabályzókört! A példánkban a buszon nincs más, csak egy távadó és egy szelep. Ezek mást nem csinálnak, csak egy sima szabályzókört. Ehhez a következő lépések szükségesek: A távadó által mért értéket felteszem a buszra, ezt a PID szabályzó elolvassa, végrehajtja a PID szabályzó algoritmust, felteszi a buszra a végrehajtó jelet, ezt a szelep elolvassa és végrehajtja. Ezt kell folyamatosan ismételni adott ciklusidővel.
Leegyszerűsítve, grafikusan:
Látható, hogy a ciklusidőt úgy kell kiszámolni, hogy a 3 funkcióblokk után még maradjon idő a "maradék időben megoldandó" feladatokra, pl. új alapjel vétele a kezelőtől.
Nyilvánvaló, hogy a funkcióblokkok sorrendje sem közömbös:
Itt a blokkok abszolut sorrendje nem változott (...PID,AO,AI,PID,AO...) de a PID szabályzó mindig egy ciklussal régebbi mért értéket kap, azaz a valós helyzettől el van maradva. A blokkok sorrendjének optimalizálása is igen fontos feladat, amit a konfiguráló szoftvernek tudnia kell. Legjobb, ha ezt kézi és automatikus módban is lehetséges megtenni.
Most nézzünk egy olyan buszt, ahol kettő szabályzókör van:
Miért olyan fontos ez? Látnunk kell, hogy a FFB nem "multitasking"-os, azaz a feladatok nem tudnak időben "párhuzamosan" futni (pl. vivőfrekvenciák alkalmazásával). Minél több eszköz és minél több algoritmus fut a buszon, annál hosszabb lesz minden kör ciklusideje.
Mennyi az idő?
Az időbeli nagyságrendekről annyit, hogy az egyszerűbb funkcióblokkok időigénye is többször 10 msec nagyságrendű. Egy szabályzókör ezek szerint kb. 100 msec. Ehhez hozzá kell adni a nem ütemezett kommunikáció idejét, durván és általam saccolva 10 msec/eszköz. Ezt be kell szorozni a szabályozókörök számával, majd rá kell hagyni (szerintem) 30% tartalékot. Legyen ez a ciklusidő. Jobb rendszerek képesek szemléletes adatokat adni a busz foglaltságról. Mindig ellenőrizzük!
Fentiek miatt óvatosságra szeretnék inteni mindenkit, aki alapos felkészültség nélkül FFB rendszert kíván konfigurálni vagy a meglevő buszára "csak úgy" fel kíván tenni még egy távadót. Hagyja ezt a bizonylatolt szakemberekre!
Abban az esetben ugyanis, ha a ciklusidőt a kelleténél rövidebbre szabjuk, nem lesz idő a mért értékek feladására a monitorra, vagy éppen egy alarmra...
Ki ütemezi a funkcióblokkok végrehajtását?
Többnyire a FFB kártya, de korszerűbb terepi eszköz is lehet ütemező azaz LAS (link active scheduler). Az ütemezés token passing-elvű, ami azt jelenti, az ütemező egy tokent ad az eszközöknek sorban, majd adott idő múlva elveszi tőlük. Míg a token az eszköznél van, övé a busz.
Látható, hogy a LAS központi szerepet játszik. Ha nincs LAS (pl. meghibásodott) az egész busz leáll. Ennek elkerülésére dolgozták ki a LAS redundanciát, ami azt jelenti, hogy a LAS leállása esetén az arra képes eszköz átveheti annak funkcióját. Ez a folyamat bonyolult, nem fogom ismertetni. Lényeg, hogy van ilyen, de a működés nem automatikus, ezt is konfigurálni kell... A végére maradt a lényeg: Hol keletkeznek azok az előnyök, melyek elérése érdekében a FFB-t létrehozták? Vegyük sorra az első cikkben írt pontokat!
1. Olcsóbb beruházás:
Nézzük sorra egy beruházás fő lépéseit:
Tervezés:
PRO: Egyértelmű, hogy gyorsabb buszos rajzokat készíteni. Mivel a FFB eszközök polaritás függetlenek (A Graetz-híd feltalálása óta nem nagy szám...) a kábelösszefüggési rajzok helyett elég lehet az egyvonalas busz topológia rajz. Egy db. A3-as lapon elférhet egy teljes busz, azaz 32 eszköz. Nincs "loop drawing", sorkapocs kiosztás stb.
KONTRA: 4..20 mA-es körök tervezéséhez nem kell sok szakismeret. Húzzuk a kábelt, megy rajta az egyenáram. A FFB buszt alaposan át kell gondolni. Hány eszköz kerül rá, hol lesznek elágazások, merre hány méter. Az elkészült eredményt célszerű szoftverrel ellenőriztetni.
Eszköz beszerzés:
PRO: Kevesebb réz. A busz nyilvánvalóan réz-takarékosabb. Kevesebb ki- bemeneti kártya. Kisebb műszerszekrény, esetleg a műszerterem elhagyható, és a kezelőtérbe tehetünk minden központi berendezést.
KONTRA: Drágább kábel. A FFB-t ne akarjuk 2x0.5-ös MT "kábelen" vinni. Igenis kell a sodrott, árnyékolt, 31.25 Kbps-t szerető kábel. Drágább eszközök. Egyrészt az alsó árkategóriás eszközök kiesnek, mert nincs FFB-os kivitel, másrészt a magasabb osztálybéli eszközök is gyakran drágábbak FFB-os kivitelben. Bár ez tárgyalás kérdése. Drágább központi berendezés. Én még nem láttam olcsó PLC-hez FFB kártyát. Maradnak a felsőbb árosztályba tartozó középutas (nem PLC, nem DCS) vagy a nagy rendszerek.
Szoftverfejlesztés:
Ez a bekezdés nem arról kell szóljon, hogy egyik, vagy másik gyártó rendszerén könnyebb fejleszteni, hanem hogy ugyanazon a platformon FFB-szal, vagy anélkül könnyebb.
PRO: Várom a nálam nagyobb gyakorlattal rendelkezők ide illő gondolatait.
KONTRA: Mivel a FFB-os rendszer algoritmusainak egy része a terepi eszközökben fut, valós tesztelés csak akkor lehetséges, ha a leendő, és a szoftverszobában előre összeállított, terepi eszközökkel összekábelezett rendszeren fejlesztünk. Szimulálni persze lehet, de nem 100%-osan. Másrészről nem könnyű olyan köröket konfigurálni, ahol a távadó az egyik buszon van, a beavatkozó meg a másikon. Ezt lehetőleg már a tervezéskor előzzük meg!
Szerelés-kivitelezés:
PRO: A FFB-szal nagyon gyosan lehet haladni. Vannak gyorcsatlakozós elosztók, könnyű, kéteres kábel, polaritás nem számít. Olcsóbb a nyomvonal is, mert kisebb.
KONTRA: A finom dolgok sose olcsók. Így van ez a gyorscsatlakozókkal is. EEx d eszköz esetén baj van, mert a gyorscsatlakozókat elfelejthetjük (nem EEx D), és az EEx d-s tömszelencébe sem fűzhetünk akármilyen kábelt...
Üzembehelyezés:
Nagyon eltér a 4..20-az technikától!
PRO: Ha a szoftver fejlesztés az előre összekábelezett rendszeren történt, a távadókat elég felcsatlakoztatni a buszra, és azok bejelentkeznek saját, előre megkonfigurált tervjelüknek megfelelően - az adatbázisba. Máris használható!
KONTRA: A távadó saját gyári száma alapján jelentkezik be, nem pedig a beépítés helye szerint! Ha két - egyébként azonos - távadót felcserélt helyre építünk be, sokkal nagyobb a baj, mint 4..20-as esetben. Ott csak adminisztrációs túlmunka keletkezik, FFB-nél viszont a távadó az általa mért értéket saját tervjelének megfelelő helyre adja. Olyan mintha 4..20-as rendszernél felcseréltük volna a sorkapcsokat. (Persze ilyesmi egy ISO-val rendelkező kivitelezőnél nem fordulhat elő...)
2. Olcsóbb üzemvitel
Miként a magánéletben, úgy az iparban is egyre jellemzőbb a beruházási költségek helyett az élettartam költségek vizsgálata egy adott üzem esetében. Nyilvánvaló, hogy az irányítástechnikához kapcsolódó költségek igen számottevő része a beruházás, de nem elhanyagolható az üzemviteli költség sem. Ennek csökkentésével is növelhető az eredményesség.
A műszeres üzemvitel jellemző tevékenységei:
Időszakos helyszíni vizsgálatok:
E téren a FFB alkalmazása nem jelent előnyt. A távadót ugyanúgy meg kell nézni, a kábelt megrángatni, földelést mérni, stb...
Időszakos kalibrálás, pontosság ellenőrzés:
Ezeket a FFB eszközöknél is ugyanúgy kell végezni, mint 4..20 mA esetén, különbség, hogy nem lesz szükség OMH-s mA mérőre, hanem egy PC-re, FFB kártyára és spec. szoftverre. Ezek beszerzési ára jóval magasabb, mint egy jó mA mérőé, de nem kell OMH-ba hordani. További előny, hogy a szoftver egyből kiállíthatja a kalibrációs bizonylatot.
OMH vizsgáztatás:
Tudomásunk szerint az OMH még nem teljesen felkészült minden műszertipus vizsgálatára FFB interface esetén. Érdemes lehet beszerzés előtt ennek utánajárni.
Hibakeresés:
A FFB eszközökre jellemző az öndiagnosztikai funkciók erőssége. Különösen komplex eszközök esetén (pl. analitika) lehet jelentős az, hogy egy műszer (pl. pH távadó) jelzést küldhet a műszerésznek, ha valami rendellenességet tapasztal, bár a mért érték az alarmok által határolt területen belül van. Ez mindenképpen nagy előny, de meg kell említeni, hogy ezt HART-os eszközöknél is megtalálhatjuk.
A negatív oldalról is essék szó: FFB-os eszközöket csak angol nyelvtudással és átviteltechnikai, számítástechnikai ismeretekkel (és célműszerrel) rendelkező szakemberek képesek diagnosztizálni, üzemeltetni.
Józsi bácsi a kombinált fogóval és multiméterrel labdába se rúghat.
Eszöz csere:
A 4..20-as technikánál megszoktuk, hogy egy távadó cseréje esetén a régit kikötjük, a cserét bekötjük, és máris működik - ha minden paraméter ugyanaz. FFB esetén ez nem így lesz. A bekötött új eszközt csakis a központi munkaállomásról - mérnöki jelszó birtokában - lehet üzembehelyezni. Előny viszont, hogy a meghibásodott eszköz paraméterei az új eszközbe központból ugyanúgy áttölthetőek, mint a HART esetén.
Bizonylatolások:
A minőségbiztosítási és biztonsági előírások által megkövetelt bizonylatok előállítása egyre fontosabb. Ezen a téren sokat segíthet a FFB-os eszközök használata, hiszen a diagnosztikára, üzemvitelre megvásárolt szoftverek bizonylathegyeket állíthatnak elő számunkra. Újból meg kell jegyezni, hogy ezek az előnyök a HART-nál ugyanígy megvannak.
Ennyit terveztünk a Foundation Fieldbus alapismeretek kapcsán elmondani. Ez persze nem elég ahhoz, hogy egy FFB projectbe belevágjunk, de arra talán alkalmas volt, hogy oszlassa azt a ködöt, mely ezt az immár 6 éves technikát még mindig körüllengi. A menüsorunk "Tananyag" gombjára kattintva megtalálhatja korábbi, fildbuszos ismeretterjesztő cikksorozatunk első 4 részét, ez itt egy folyatatás...
Több eszközt a buszra!
Az FFB alkalmazások terjedésének egyik lényeges korlátja az egy H1 szegmensre fűzhető gyújtószikramentes eszközök alacsony száma. A piacon ma már számos olyan eszköz, alrendszer kapható, melynek segítségével e szám növelhető. A gyártók általában nem a működési elv megértetésére fókuszálnak honlapjukon, ezért jelen cikkünkben röviden áttekintjük a különböző gyártók által kínált megoldásokat.
1. módszer: Köss több buszt párhuzamosan!
Amint a jobboldali ábrán is látható, a megoldás lényege az, hogy a szegmens gerinckábelében nem egyetlen gyszm. érpár fut, hanem kettő vagy több, ezáltal a növelve a max. áramerősséget. Technikailag nem bonyolult a megoldás, és annyi megtakarítást eredményez, hogy kevesebb fildbusz-kártya kell a belső oldalon. Persze időtartományban nő a buszterhelés, azaz növelni kell a ciklusidőket. A párhuzamos gerinc elejére és végére szerelendő speciális "dobozkák" a megtakarításokat tovább csökkentik.
2. módszer: Nem gyszm. gerinc
Ha a gerinckábel védelmi módjául nem gyújtószikramentességet alkalmazunk, nagy energiát szállíthatunk rajta. Ebben az esetben viszont a "kinti" végén EEx e vagy EEx d kivitelű elektronikus elosztó(k), leválasztó(k) válnak szükségessé. Az 1. módszerhez képest tovább nőtt a felköthető terepi eszközök száma, és a busz tovább lassul... A komponensek nem olcsók - ezt inkább már egy komplett alrendszernek nevezhetjük - de ha a sebesség nem kritikus, ez egy jó megoldás lehet.
3. megoldás: Kihelyezett I/O
A legkomolyabb megoldás. És persze a legdrágább. Előnye, hogy a gerinc (Itt inkább hívjuk busznak) kábelen a nagy az átviteli sebesség (Ethernet ill. RS485), így gyors a rendszer. A komolyabb kihelyezett I/O-kra nem csak ffb távadókat köthetünk, hanem HART, analóg és kétállapotú eszközöket is. Ha e módszer mellett döntünk, átgondolhatjuk, mely köröknél van valóban szükség ffb műszerre (digitális adatátvitel = nagyobb pontosság), és hol elegendő az egyszerűbb (olcsóbb) 4..20mA-es megoldás.
Sajnos a piacon még nem sok olyan remote I/O kapható, mely képes FFB eszközöket fogadni (így az áruk még elég borsos), de várható terjedésük. Kaphatóak már olyan kis interfészek is, melyek egy vagy több ffb H1 szegmenst képesek Modbus-ra kapcsolni.
Triviális megoldás: EEx d terepi eszközök
Ne feledkezzünk meg az első kiépített rendszerekről, ahol a nyomásálló tokozású terepi eszközökkel teljesen kihasználhattuk a busz kínálta elvi eszközszámot. A megoldás egyetlen hátránya az, hogy a távadókat csak folyamatos helyszíni gázszennyezettség-ellenőrzés mellett szabad feszültség alatt felnyitni. Felmerül azonban a kérdés: Miért kellene felnyitni? Ezeket a műszereket a központból diagnosztizáljuk, a sorkapocshoz csak akkor nyúlunk, ha elromlott. Ez pedig - jó minőségű és jól kiválasztott műszereknél - nem gyakori. Vagy mégis? :o) Füle Sándor