foundation fieldbus inicial - gcar - grupo de controle ... industries measurement technology, ltd....
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Barramentos Industriais
Protocolo Foundation Fieldbus
Carlos Eduardo Pereira - cpereira@eletro.ufrgs.br
GCAR/DELET/UFRGS/Porto Alegre, Brazil
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Outline
• Foundation Fieldbus• Overview
• Apresentação SMAR
• Camada Física• Camada de Enlace de Dados• Blocos Funcionais (link)
• High-Speed Ethernet (link)• Análise de Desempenho (link)
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
O que é Foundation Fieldbus?
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Fieldbus tem comunicação bidirecional, digital multi-drop entre dispositivos de automação da planta e sistemas de supervisão.
Então, Fieldbus é essencialmente uma rede local (LAN) para dispositivos de campo.
Fieldbus
Automação e
Sistemas de Supervisão
P
L
F
Processo
TECNOLOGIA FOUNDATION FIELDBUS
3
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Hierarquia de Rede Industrial
RedeIndustrial
Automação de escritório• Computadores grandes (Mainframes) • Gerenciamento
LANAutomação & Sistemas de supervisão• DCSs, PLCs, PCs• SCADA, Sistemas Supervisórios
RedeFieldbus
Instrumentação & Controle• Transmissores, Controladores• Válvulas & Atuadores
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Sensorbus
• Seriplex• ASI• INTERBUSLoop
Devicebus
• Device Net• SDS• Profibus DP• LONWorks• INTERBUS-S
Fieldbus
• IEC/ISA SP50• Fieldbus Foundation• Profibus PA• HART
Tipo deDispositivo
Tipo deControle
TIPOS DE CONTROLE E DISPOSITIVO
Controlede Processo
ControleLógico
Low-endbit
Midrangebyte
High-endblock
Dispositivos Simples Dispositivos Complexos
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AnalógicoSLCs, Controle de temper.
Controle de VálvulasDCSs
Sensor de ProcessoPCs, PLCs
Interfaces de OperaçãoDrivers
Controle de MovimentoChaves, Sensores, Válvulas
Push buttons
Fieldbus
Sensorbus
Devicebus
GRUPOS DE DISPOSITIVOS
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Comparação com tecnologia 4 a 20 mA
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LAN
DCS
CAMPODPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102
4 - 20 mA
I/O
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REDE DE MICROS (LAN)SISTEMA
SUPERVISÓRIO
FIELDBUS
CAMPODPT101 PT101 FCV101 DPT102 PT102 FCV102
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CUSTO REDUZIDO DE FIAÇÃO E INSTALAÇÃO
B.S.I. B.S.I. B.S.I.
DCS FCS
FIELDBUS4 a 20 mA
Barreira deSegurançaIntrínseca B.S.I.
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AUMENTO NO FLUXO DE INFORMAÇÕES
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DISTRIBUIÇÃO DA INTELIGÊNCIA
DCS FCS
SISTEMA TRADICIONAL
FIELDBUS
FIELDBUS
CONTROLE NO CAMPO
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FCS - SISTEMA DE CONTROLE DE CAMPO
DDC DCS FCS
• O salto lógico não melhora o familiar DCS• Ainda mais distribuição das funções de controle
• Ainda mais equipamentos digitais de campo
Substituição Completa dos DCS !!!
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HIERARQUIA BÁSICADCS
FontesCartões de ControleCartões de EntradaCartões de SaídaFusívelI/OTerminadorCartões
4-20 mAFieldbus
FCS
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BENEFÍCIOS DO FIELDBUSVISÃO EXTENDIDA DO PROCESSO
DCS FCS
4 a 20 mA Fieldbus
Fieldbus
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LOOP DE CONTROLE ANALÓGICOCONTROLE
4-20 mA4-20 mA
SALACONTROLE
CAMPO
VARIÁVEL DEPROCESSO
DT= TEMPO MORTO
PID
D/AuPA/D
D/A
uP
A/D
CONVERSÃODO SINAL
ELEMENTOFINAL DE
CONTROLE
TRANSMISOR
1
23
1
2
3
DT
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LOOP DE CONTROLE FIELDBUS
DT=TEMPO MORTOTR=TEMPO RESPOSTA PROCESSO
uP
D/A
TRATAMENTODO SINAL
+PID
ELEMENTOFINAL DE
CONTROLE
1
23
1
2
3
DT
uP
A/D
CONTROLABILIDADE = DT /TR
CAMPO
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Diagnósticos
• Status de parâmetros de processo On-line na IHM ou MMI
• Qualidade
• Limite
• Detalhe de diagnosticos com ferramentas de engenharia
• Falha do sensor
• Falha na Saída
• Falha de Memoria
• Erro de Configuração
• Communication error
• Acesso para análise de parametros externos
• Posição da Válvula e tempo de percurso da válvula usado para detecção da ação stick-slip.
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FIELDBUS - Posicionador Inteligente de Válvula
Sensores
Pressão e temperaturaa montante
1.
Pressão a jusante2.
Posição da aste3.
Atuador de Pressão4.
Detector de vazamento5.
FunçõesCombinadas
- Transdutor F/P- Posição da válvula- Medição de vazão- Monitoração do usoda vávula
- Uso do Atuador- Monitoração- Monitora emissão defulga
- Controle PID
1 2
5
3
4
VISÃO EXPANDIDA
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QUALIDADE E VISÃO REAL DOS DADOS
VALORUNIDADESTATUSALARME
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Status• Um software pode ser usado para investigar detalhes
do status ruins.• Good Normal
• Bad E.g. sensor failure
• Uncertain E.g. out of calibrated range
• Providencia automaticamente a ação de failsafe na saída dos devices com falha de sensor ou de comunicação etc..
• Assegura inicialização em cascata ( tranferência para bumpless) e anti-reset-windup e muitas outras funções.
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COMUNICAÇÃOBIDIRECIONAL
DPT + PID FCV TT PT
ESTAÇÃO DEOPERAÇÃO
ESTAÇÃO DEMANUTENÇÃO
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BENEFÍCIOS DO FIELDBUS
MAIOR INFORMAÇÃO DO PROCESSO
ONTEM HOJE
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TOLERÂNCIA A FALHAS
• Redundância de fontes Fieldbus.
• Redundância da estação de operação.
• Interface independente da CPU para LAS, bridge e blocos.
• Distribuição de equipamentos em várias redes com poucos loops.
• Em loops críticos pode ter redes individuais
• Falha do Sensor, device ou comunicação provoca uma ação de failsafe na saída dos devices.
• Número de módulos e componentes (CPU, cartão de entradas ou saídas) é reduzido, minimizando probabilidade de falhas.
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EFEITOS DE FALHAS
• Uma falha em uma estação de operação não afeta a outra. No caso de falha em uma estação o sistema pode ser operado por outra.
• Uma falha de coneção ou remoção de um device no campo não afeta outro.
• O controle continua na ausência do mestre.• A substituição da fonte é automática e não afeta o
sistema.• Falha em qualquer equipamento Fieldbus não resulta
na perda do controle ou na vizualização da operação exceto com relação aos loops ou I/O do mesmo equipamento Fieldbus.
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
DRIVERA / B
DRIVERA / C ?
STANDARDFIELDBUS
INTERFACE
MANUFACTURERB
MANUFACTURERC
MANUFACTURERD
MANUFACTURERD
MANUFACTURERB
MANUFACTURERC
FIELDBUS = SISTEMA ABERTO
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O que é Fieldbus Foundation?
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FIELDBUS FOUNDATION
É UMA ASSOCIAÇÃO COM MAIS DE 100COMPANHIAS O QUE GERA UM
TOTAL DE MAIS DE 90% DAS EMPRESASDE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE
DE PROCESSOS DO MUNDO
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LISTA DE EMPRESAS
ABB Ltd.Allen-Bradley Co., Inc.Apparatebau HundsbachAutomation Research Institue of Ministry of Metallurgical IndustryBailey ControlsBailey JapanBeamexBeldon Wire and CableBently Nevada CorporationBorst AutomationBP Oil - Alliance RefineryBray International, Inc.Brooks InstrumentCaltex ServicesChevron Research and Technology Co.Chiyoda CorporationDanfoss A/Sdigi table thielenDKK CorporationDuPont Engineering Co.EMCOEndress + Hauser GmbH + Co.Exxon Research & Engineering Co.Fieldbus International (FINT)
Fisher Controls International, Inc.Fisher-Rosemount Systems Inc.Fraunhofer Institute IITBFuji Electric Co., Ltd.GATX TerminalsGlaxo IncorporatedGroupe SchneiderGSC Precision Controls Division of DA-TechHartmann & Braun AGHitachiHoneywell Inc.Instituto de Investigaciones Electricas Johnson Yokogawa Corp.K.K. CodixK-PatentsKeystone ControlsKimrayKnick Elektronische Meßgeräte GmbH & Co.Koso Service Co., Ltd.KROHNE Messtechnik GmbH & Co. KGKurihara Kogyo Co., Ltd.M-System Co., Ltd.Magnetrol International, Inc.Masoneilan-Dresser IndustriesMeasurement Technology, Ltd. (MTL)
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Rosemount Inc.Saab Tank ControlServomexShell Oil CompanySHIMADZU CORPORATIONSHIP STAR Associates, Inc.Siebe ECDSiemens Industrial Automation, Inc.Simrad AlbatrossSMARSoftingSRC NIITEPLOPRIBORStoneL CorporationThe Foxboro CompanyTokyo Keiso Co., Ltd.Toshiba Corporation Valmet Automation Inc.VALTEK InternationalVEGA GrieshaberVinson SupplyWorldFIP EuropeYamaha CorporationYamatake-Honeywell Co., Ltd.Yokogawa Electric Corporation
Mettler-ToledoMicro Motion, Inc.Milltronics, Ltd.Mitsubishi Electric CorporationMonsanto CompanyMotoyama Eng. Works, Ltd.Nagano Keiki Seisakusho Ltd.National Instruments Corp.NEC CorporationNeles-JamesburyNEMANiigata Masoneilan Co., Ltd.Ohkura Electric Co., Ltd.Oval Engineering Co., Ltd.Pacific Avionics CorporationPepperl + FuchsPMV, Palmstiernas Instruments ABPolitecnico di Torino-DaiPresys Instrumentos E Sistemas Ltda.R. Stahl Schältgeraete GmbH & Co.Ramsey Technology, Inc.Relcom Inc.Ronan Engineering CompanyRosemount Analytical Inc.
LISTA DE EMPRESAS
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FIELDBUS
MODELO OSI
CAMADA DE APLICAÇÃO
PRESENTATION LAYER
CAMADA DE SESSÃO
CAMADA DE TRANSPORTE
CAMADA DE REDE
MODELO FIELDBUS
CAMADAUSUÁRIO
FIELDBUS ESPECIF. DE MENSAGEM
SUBCAMADA DE ACESSO FIELDBUS
CAMADA DE ENLACE DE DADOS
CAMADA FÍSICA
“STACK” DECOMUNICAÇÃO
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICACAMADA FÍSICA
CAMADA DE ENLACE DE DADOS
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MEIO FÍSICO
APLICAÇÃO
FÍSICO
LINK DEDADOS
GERENCIAMENTO
REDE
MENSAGEM:- LINGUAGEM COMUM- LEITURA & COMPREENÇÃO
PAPEL:- DESTINO/REMETENTE- MENSAGEM
TRANSPORTE DA MENSAGEM
CAIXA POSTAL:- ENVELOPE - ENDEREÇO
ENVELOPE:- ENDEREÇO- SELO- MENSAGEM NO PAPEL- LOCALIZAÇÃO DE INFORMAÇÃOCRÍTICA
USUÁRIO
TAG TIC 101TEMPERATURA DO REATORPV = 242 GRAUS C
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICA
“STACK”COMUNICAÇÃO
MODELO FIELDBUS
COMO INSTALAR
COMO CONFIGURAR
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
MODELO FIELDBUS
CAMADAUSUÁRI
O
COMO INSTALARCAMADA FÍSICA
“STACK”COMUNICAÇÃO
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
H1 - BAIXA VELOCIDADE, Automação Processo(Substituir a tecnologia 4-20 mA)
31.25 Kbit/sAlimentação no BarramentoOpção de intrinsecamente SeguroMAX. 1900 Meters
H2 - ALTA VELOCIDADE, Automação avançada
1.0 Mbit/sMAX. 750 Metros2.5 Mbit/sMAX. 500 Metros
HSE
CAMADA USUÁRIO
CAMADA FÍSICA
STACKCOMUNICAÇÃO
FF normas com ISA/IEC, Camada Física Standard.
TECNOLOGIA FOUNDATION FIELDBUS
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADA FÍSICAAPLICAÇÃO NÍVEL H1 & H2
SCADABRIDGE
H1
ANALIZADOR
PLCH1… Rede Fieldbus de baixa velocidade• 31.25 Kbps• Substituir 4 to 20 mA• 2 - 32 Dispositivos• Alimentação & Comunicação• Intrinsecamente Seguro• Par-trançado• tamanho de 1900 m
PLC
SERVER GATEWAY
ETHERNET
H2
H2… Rede Fieldbus de alta velocidade• 1 Mbps/2.5 Mpbs• 2 - 32 Dispositivos• Opção intrinsecamente seguro (1 Mbps )• Opção alimentação barramento ( 1 Mbps )• Redundância• Par-trançado• Tamanho de 750 m @ 1 Mbps
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FIELDBUS• O sistema Smar usa 31.25 kbit/s
• bus powered(dispositivo de campo alimentado pelo barramento de comunicação)
• non bus powered(dispositivo de campo com alimentação separada do barramento de comunicação)
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
PC, PLC or DCS
caixa de Junção
Único par de cabos
1.0 or 2.5 Mbit/s
BridgeBridge
31.25 kbit/s 31.25 kbit/s
FOUNDATION fieldbus Tecnologia
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADA DEAPLICAÇÕES
“STACK” DECOMUNICAÇÃO
CAMADA FÍSICA
Fieldbus Tempo
Volta
ge
FieldbusMensagens
MODO DO SINAL EM VOLTAGEM
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Tronco Caixa deJunção
Ramos
Tamanho do cabo = Tamanho do tronco + Tamanho de todos os ramosTamanho máximo = 1900 metros com cabo “Type A”
EQUIPAMENTO NASALA DE CONTROLE
FOUNDATION TECNOLOGIA31.25 kbit/s FIELDBUS
COMMUNICATION“STACK”
USERLAYER
PHYSICAL LAYER
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Tronco
Tamanho do Cabo = Tamanho do Tronco
FOUNDATION TECNOLOGIA
H2 - 1.0 Mbit/s E 2.5 Mbit/s FIELDBUS
COMMUNICATION“STACK”
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICA
EQUIPAMENTO NASALA DE CONTROLE
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
PROJETO DE INSTALAÇÃOCamada Física IEC 1158-2Ítens Importantes :
• Fonte de alimentação• Tipos de Cabos• Distâncias• Numero de
dispositivos
• Topologia• Terminadores• Barreiras• Segurança Intrinseca
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
INSTALAÇÃO TÍPICA
FONTE
PS302 +_
IMPEDÂNCIA
PSI302
TERMINADOR
TERMINADOR
PT PTFYFT TT
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
LIGAÇÃO DA PSI
• Conexão do terminador interno
BTPS PSI Term.
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TERMINADOR FIELDBUS
1 µF
100 Ω
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TERMINATOR DE LINHA
Caixa de junçõesCABO DOTRONCOPRINCIPAL
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Aterramento do Isolador (Shield)
• O shield deverá ser aterrado no terminal negativo da fonte de alimentação
BTPS24 V
Os shields do Tronco e do ramo devem estar conectados.
Shield
PSI
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TERMINADOR DE LINHA
Caixa de junções
TERMINADOR
BARREIRA DESEGURANÇA INTRINSECA
ÁREA CLASSIFICADAÁREA NÃO CLASSIFICADA
TERMINADOR
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Conexão
• Somente um shield pode ser ligado.
B.T.
Shield
I.S.B.P.S.
Fieldbus
Área classificada
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
DF47 Fieldbus Safety Barrier
• Limita valores de tensão e correntepara a área classificada
• Tipicamente 8 dispositivos porbarreira.
• Trabalha como repetidor.
• Usa uma fonte de alimentaçãoisolada e independente.
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADA FÍSICAA DISTÂNCIA PODE SER INCREMENTADA COM REPETIDORESNO MÁXIMO = 4 REPETIDORES
REP1 REP2 REP3 REP4
1.900 M 1.900 M 1.900 M 1.900 M
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
PLANTA NÍVEL H2
BRIDGECAIXA DEJUNÇÃO
Fieldbus Topologia
NÍVEL H1
FIM -FIM LINHA COM RAMOS PONTO A PONTO ÁRVORE
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TOPOLOGIA DE REDE COM RAMOS
FIELDBUS NÍVEL H2
BRIDGETERMINADOR
RAMO
REDE (TRONCO)
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Terminaçãoaqui
FIELDBUS NÍVEL H2
FIELDBUS NÍVEL H1
BRIDGE
TOPOLOGIA PONTO - A - PONTO
LIGAÇÃO EM SÉRIE DE TODOS EQUIPAMENTOS
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TOPOLOGIA PONTO - A - PONTO
• Use somente um dos condutores elétricos para ”entrada” e “saída” dos cabos, para manutenção ou troca do instrumento sem interromper a rede.
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAIXA DEJUNÇÕES
NÍVEL H1
Cabos simples ou multi-pares
NÍVEL H1
TOPOLOGIA FIM PARA FIM
CAIXA DEJUNÇÕES
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TERMINADOR
TOPOLOGIA EM ÁRVORE
NÍVEL H1NÍVEL H1
CAIXA DEJUNÇÕES
CAIXA DEJUNÇÕES
“PÉ DE GALINHA”
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADA FÍSICA31.25 KBPS - TOPOLOGIA EM ÁRVORE
FONTE
FIELDBUS
TERMINADOR TERMINADOR
CAIXA DEJUNÇÃO NÍVEL
XMTR
NÍVELXMTR
VÁLVULAVAZÃOXMTR
100Ω
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FIELDBUS NÍVEL H2
BRIDGE
CAIXA DEJUNÇÃO
REDE COM RAMOS PONTO-A-PONTO ÁRVORE
TERMINADOR
TOPOLOGIA MISTA
FIELDBUS H1
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Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Topologia em anel NÃO é recomendada
• Conectando o barramento em anel, através de um cabo entre o terminador e a PSI.
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TAMANHO TOTAL DO CABO
• O tamanho máximo do cabo depende do tipo de cabo usado.
• O tamanho total inclui o tronco e todos os ramos.
Tronco 240 mRamo 1 80 mRamo 2 120 mRamo 3 40 mRamo 4 80 m
Total 560 m
32
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Dispositivos por ramo
• Comprimento máximo recomendado dos ramos.• Estes comprimentos estão normalizados na tabela abaixo.
Total 1 por ramo 2 por ramo 3 por ramo 4 por ramo25-32 1 m 1 m 1 m 1 m19-24 30 m 1 m 1 m 1 m15-18 60 m 30 m 1 m 1 m13-14 90 m 60 m 30 m 1 m1-12 120 m 90 m 60 m 30 m
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
REDUNDÂNCIA DE FONTEPS302
++
--
L
N
PS302
BT302PSI
302
PSI
302
++
--
L
N
PS302
BT302
33
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Redundância de fonte
• Na possível falha de uma das fontes, a outra entrará automaticamente em operação.
• Somente um PSI302 deverá ter o terminador conectado, ou um terminador BT poderá ser utilizado.
BTPS
PS PSI
PSI
Conexão do Terminador
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
REDUNDÂNCIA DE PSI302++
--
L
N
PS302
BT302PSI
302
PSI
302
++
--
L
N
PS302
BT302
TERMINADOR EXTERNO
34
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
REDUNDÂNCIA DE FONTE++
--
L
N
PS302
PSI
302
++
--
L
N
PS302
PSI302
• FLUXO DE ALIMENTAÇÃO• COMUNICAÇÃO NÃO É GARANTIDA• POSIÇÃO DE FAIL SAFE GARANTIDA
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
REDUNDÂNCIA DE MESTRE
IBM Compatible
PCI1 2 3 4
BT302PSI
302
PS302
MMI MMI
IBM Compatible
PCI1 2 3 4
ADDRESS 2ADDRESS 1CURRENT LAS
ADDRESS 6
MESTRE
MESTRE
MESTRE
35
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Promove a Codificação/Decodificação das mensagens da Camada do Usuário
Scheduler Determinístico Centralizado
Transferência Eficiente e Segura dos Dados
Suporta Modelo Cliente/Servidor
Suporta Modelo Publicação/Subscrição
CAMADA USUÁRIO
CAMADA FÍSICA
COMMUNICATIONSTACK
Tecnologia FOUNDATION Fieldbus
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
LAS (Link Active Scheduler)
• Controla a comunicação no barramento• Gerencia o “Master timer”• Lista dispositivos (“Master device list keeper”)• Escalona mensagens
• Provê suporte para redundância• Tipos de dispositivos
• Link master: pode rodar LAS• Básico: não é capaz de executar LAS• Bridge: interliga sub-redes
36
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Tempo de ciclo de supervisão e controle
• Atualização dos links feita a cada “macro ciclo”• Tempo de ciclo = tempo para publicação das
informações de controle (cíclicas) + tempo de comunicações acíclicas
• Tempo de tráfego cíclico pode ser calculado:• Pela somatória dos tempos de execução dos blocos
funcionais de cada dispositivo• Pelo número de links externos vezes 30 ms
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
LAS (Link Active Scheduler)
• Somente um dispositivo que execute a função “LAS Master” pode controlar a comunicação (ou seja, todo segmento deve obrigatoriamente ter um LAS)
• Um dispositivo somente pode comunicar quando receber permissão do LAS (mensagem “Compell Data – CD”)
• LAS tem uma lista de todos os dispositivos que precisam acessar o barramento
• A lista de dispositivos é chamada de “live list”
37
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Atribuição de endereços
• Seqüência de endereçamento:1. Um novo dispositivo é inserido no barramento e usa um
endereço default entre 248-2512. Ferramenta de configuração atribui um nome de
dispositivo (“device name” PD TAG) para o novo dispositivo
3. Ferramenta de configuração atribui um endereço permanente não utilizado para o novo dispositivo
• Endereço permanente é armazenado em memória não volátil (recarregado na inicialização do dispositivo).
• Endereçamento via barramento (sem uso de jumpers)
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Temporização
• V(MID): dispositivos tem que esperar V(MID) antes de responder
• V(MRD)xV(ST): dispositivo precisa responder até este limite (V(ST) slot time)
• V(IRRD)xV(ST): tempo após o qual o LAS recupera token
• V(TN)xV(ST): link master retoma barramento após este tempo
38
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Identificação dos dispositivos
• Todo dispositivo é identificado de maneira unívoca
• Device ID• Identificado pelo fabricante, número serial• Ex: 003266ACME12545463
• Device Name (TAG)• Definido pelo usuário para facilitar a compreensão da
operação. Ex: TT101• Device Address
• Endereço único dentro do segmento
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Endereçamento
• FF utiliza endereços de 0 a 255• 0 a 15: reservados para endereços de grupo • 16 a 247: endereços válidos para dispositivos• 248-255: endereços especiais
• 248-251: default permamente (sem endereço)• 252-255: default temporário
39
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Inserindo novos dispositivos
• Inserção no “live list”• Novos dispositivos podem ser inseridos em qualquer momento• LAS envia comando “Probe Node”(PN) para lista de endereços
temporários (não configurados)• Dispositivo responde com “Probe response” (PR)• LAS envia “node activation PDU” (DT); dispositivo é adicionado
a “live list”• LAS envia comando “Live list update” para atualizar outros “link
master” no segmento (DT)• Nodo passa a receber token (PT)
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Inserindo novos dispositivos
dispositivoX dispositivoY dispositivoZ
LAS1. PN(y)
2. PR
3. Node activation (DT)
xz
40
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Comunicação assíncrona
• Todos os dispositivos presentes na “live list” recebem do LAS token para transmitir mensagens assíncronas, não escalonadas
• PT (endereço, tempo, prioridade)• Tempo: tempo que o dispositivo pode comunicar• Prioridade: máxima prioridade de mensagens que
podem ser transmitidas
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Comunicação assíncrona
dispositivoX dispositivoY dispositivoZ
LAS1. PT(y)
2. DT
xz
3. RTPT: pass tokenRT: return tokenDT: exchange data
41
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Determinação parâmetros para comunicação assíncrona
• TTRT: target token rotation time• ATRT: actual token rotation time
• Prioridade normalmente normal• Se V(ATRT) > V(TTRT) então prioridade aumenta para “urgente”• Se V(ATRT) < V(TTRT) então prioridade diminui
• Usualmente LAS aloca tempo padrão V(DTHT), caso necessite tempo para escalonar mensagens cíclicas aloca somente tempo mínimo V(DMDT)
• Dispositivo pode solicitar mais tempo, porém tempo é limitado por máximo tempo V(MTHA)
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Mensagens assíncronas
• Se dispositivo não responde a 3 tentativas consecutivas de passagem de token (PT), ele é removido da “live list”
• LAS envia comando “live list update” para atualizar outros “link masters”
• Dispositivo passa a receber comando “probe node”(PN)
42
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Comunicação cíclica (Mensagens escalonadas)
• CD (buffer, prioridade)• Buffer: endereço do dispositivo + ponto de
conexão• Ex: macrociclo 500 ms (20.24 0ms, 25.20 250 ms)
0 ms 250 ms 500 ms 750 ms
Buffer 20.24 Buffer 25.20
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Comunicação síncrona
dispositivoX dispositivoY dispositivoZ
LAS1. CD(y.s)
2. DT
xyz
PT: pass tokenRT: return tokenDT: exchange data
CD
43
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Sincronização de relógio
• LAS é o “time master” para o link• LAS usa comando “time distribution” TD para
manter todos os relógios dos dispositivos no link sincronizados
• TD enviado a intervalos de tempo configuráveis (tipicamente a cada 5 s)
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Algoritmo do LAS
Há tempo para comunicação
assíncrona?
Espera até próximo CD
(envia mensagens idle enquanto
espera)
Envia CD
Envia PN, PT ou TD
não
sim
44
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Comunicação
• FF suporta comunicação confirmada e não confirmada
• Suporta comunicação cíclica e acíclica• Suporta serviços orientados a conexão e sem
conexão
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Tipos de mensagens
• Não escalonadas (assíncronas)• Cliente-servidor (“client server”)• Distribuição de relatórios (“report distribution”)
• Escalonadas (síncronas)• Publisher/subscriber
45
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Fieldbus Access Sublayer Services
Data link layer services
Fieldbus access sublayer services
Cliente- servidor Distribuição de relatórios
Publisher/subscriber
Acíclicas, 1to1,“user triggered”,
BidirecionaisQUB
Acíclica, 1 to n,“user triggered”,Unidirecionais
QUU
Cíclicas, 1 to n,Escalonadas LAS,Unidirecionais
BNU
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Tipos de comunicação
• Cliente-servidor:• Mudanças de setpoint, modos de operação, gerência
de alarme, upload/download
• Distribuição de relatórios• Envia alarmes para console de operadores
• Publisher/subscriber• Envia variável de processo para bloco de controle PID
e console
46
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Cliente-Servidor (QUB)
aplicação aplicação
cliente servidorPT
Requisição com confirmação
resposta
PT-Orientadas à conexão- depois de estabelecida conexão podem trocar DT (Data Transfer)- DTs são tipicamente serviços FMS (read, write)
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Cliente-servidor
Dispositivo 12PV=10
Dispositivo 11
LAS1112
Lista tokenPT(11)
47
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Cliente-servidor
Dispositivo 12PV=10
Dispositivo 11
LAS1112
Lista token
DT: qual é o seu PV ?
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Cliente-servidor
Dispositivo 12PV=10
Dispositivo 11
LAS1112
Lista tokenPT(12)
48
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Cliente-servidor
Dispositivo 12PV=10
Dispositivo 11
LAS1112
Lista token
DT- resposta : “10”
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Distribuição de relatórios (QUU)
aplicação aplicação
Notificador do evento
Receptor do eventoPTRequisição sem confirmação
- sem conexão- dados são tipicamente alarmes, eventos, ou tendências (trends)
aplicação
49
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Distribuição de alarmes
Dispositivo 12PV=100
LimiteHigh =90 Dispositivo 11
LAS1112
Lista tokenPT(12)
Dispositivo 2p s a
p s a
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Distribuição de alarmes
Dispositivo 12PV=100
LimiteHigh =90 Dispositivo 11
LAS1112
Lista tokenPT(12)
Dispositivo 2p s a
p s a
50
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Distribuição de relatórios (QUU)
LAS aplicação
subscriber
publisherCD (compel data)
- resposta é “ouvida” por todos os dispositivos no link
aplicaçãoaplicação
subscriber
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Publisher-subscriber
Analog input PID
OUT OUTIN
Fieldbus
51
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Publisher-subscriber
Dispositivo 11
LAS1112
Lista CDCD(12,a)
Dispositivo 2p s a
p s aDispositivo 12PV=50LimiteHigh =90
Analog input
OUT
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Publisher-subscriber
Dispositivo 11
LAS1112
Lista CDDispositivo 2p s a
p s aDispositivo 12PV=50LimiteHigh =90
Analog input
OUT
DT 50
52
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
TECNOLOGIA FOUNDATIONCAPACIDADE DE BRIDGE (PONTE)
COMMUNICATION“STACK”
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICA
1.0 or 2.5 Mbit/s Fieldbus
Bridge
31.25 kbit/s Fieldbus
31.25 kbit/s Fieldbus
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FIELDBUS H1 FIELDBUS H1
DEVICES ON DIFFERENT NETWORKS
HSE
Linking Device
FF BRIDGES – LIGAÇÃO ENTRE REDES
53
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICA
COMMUNICATION“STACK”
MODELO FIELDBUS
COMO CONFIGURAR
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Fornece o Padrão Function Blocks.
Fornece o Scheduling para function blocks.
Fornece Device Descriptions para o sistema
CAMADA USUÁRIO
CAMADA FÍSICA
COMMUNICATIONSTACK
Tecnologia FOUNDATION Fieldbus
54
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CAMADA FÍSICA
COMMUNICATION“STACK”
TransducerBlock
FunctionBlock
ResourceBlock
FIELDBUS
Blocos
APLICAÇÃO DE USUÁRIO - BLOCOSTECNOLOGIA FOUNDATION
COMMUNICATION“STACK”
CAMADA USUÁRIO
CAMADA FÍSICA
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
ALGORITHM
Example:
PIDENTRADAS SAÍDAS
Alarmes Status
Parametros de Controle(Manual, Auto, Kp, Tr, etc.)
COMMUNICATION“STACK”
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICA
MODELO DOS BLOCOS FUNCIONAIS(“FUNCTION BLOCK”)
55
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
CONFIGURAÇÃO DOS INSTRUMENTOS FIELDBUS
• Consiste basicamente na interligação lógica dos blocos funcionais
• Através de um software configurador• Nenhuma preocupação com relação à forma
como comunicação é realizada (passagem de token, escalonamento de mensagens cíclicas, ...) é necessária
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FUNCTION BLOCKS BÁSICOS
AI
DI
AO
DO
SS
BG
ML
PID
RA
PD
56
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
ACCESSTRANSDUCER
LINEARIZATION
CONVERTTO %
FUNCTION
USER UNITCONVERSION
FILTERDAMPING
CLAMPFUNCTION
MODESELECTION
MODE
OUT
BLOCO DE ENTRADA ANALÓGICA (AI)
MANUAL SP
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
H LTANK
Vmax.500 k Liters
7.5 mts
2.0mts
TRANSDUTORPRESSÃO
BLOCO ENTRADA ANALÓGICA
FUNCTION FILTER
9.5
2.0
500
00
mts H2OPV SCALE
k LitersOUT SCALE
Configuração Fieldbus
57
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FIELDBUS CONTROLE CASCATA
ANALOGIA: PROGRAMAÇÃO FIELDBUS= BRINCAR COM LEGO
AI
AI PID
PID AO
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
AIOUT
OUTIN
PIDIN AO
TRANSMISSORFIELDBUS
DISPOSITIVO FIELDBUS P/ VÁLVULA
LIGAÇÕES DE ENTRADAS / SAÍDASTECNOLOGIA FOUNDATION
COMMUNICATION“STACK”
CAMADAUSUÁRIO
CAMADA FÍSICA
58
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Aplicações com Blocos Funcionais
AI
PID
AO
Básico
PID
AO
PID
AI AI
Cascata
PID
AO
AI AI
RA
Relação
PID
AO
PID
AI AI AI
Controle de nível decaldeiras a 3 elementos
VazãoÁgua
Nível VazãoVapor
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FT
FY
TT
PID SECUNDÁRIO NOTRANSMISSOR DE VAZÃO
AI
AI PID
PID AO
FLEXIBILIDADE DE PROJETO
TT
FT
PID SECUNDARIO NOPOSICIONADOR DA VÁVULA
AI
AI PID
PID AOFY
59
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Projeto Lógico do Controle e Mapeamento para Dispositivos
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Exemplo
60
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
FUNCTION BLOCKS AVANÇADOS
ARITHMETICOUTPUT SIGNAL SELECTORSPLITTERDEAD TIMELEAD LAGCOMPLEX ANALOG OUTPUTCOMPLEX DIGITAL OUTPUTDEVICE CONTROLANALOG ALARMDISCRETE ALARMPULSE INPUTCALCULATION BLOCKANALOG HUMAN INTERFACEDISCRETE HUMAN INTERFACESETPOINT GENERATORINTEGRATORCHARACTERIZERSTEP CONTROL
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
DISTRIBUIÇÃO DA INTELIGÊNCIA
DCS FCS
SISTEMA TRADICIONAL
FIELDBUS
FIELDBUS
CONTROLE NO CAMPO
61
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
LOOP DE CONTROLE ANALÓGICOCONTROLE
4-20 mA4-20 mA
SALACONTROLE
CAMPO
VARIÁVEL DEPROCESSO
DT= TEMPO MORTO
PID
D/AuPA/D
D/A
uP
A/D
CONVERSÃODO SINAL
ELEMENTOFINAL DE
CONTROLE
TRANSMISOR
1
23
1
2
3
DT
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
LOOP DE CONTROLE FIELDBUS
DT=TEMPO MORTOTR=TEMPO RESPOSTA PROCESSO
uP
D/A
TRATAMENTODO SINAL
+PID
ELEMENTOFINAL DE
CONTROLE
1
23
1
2
3
DT
uP
A/D
CONTROLABILIDADE = DT /TR
CAMPO
62
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Tempo de Controle de Ciclo e Schedule
• Para uma configuração típica pode ser facilmente realizado em um tempo de ciclo de 200 ms ou menor.
INT
AIAOAR
PIDlinkbackground
200 ms
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Programação Fieldbus
• Exemplos de aplicações (link)
63
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Device Description
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
O que é um “Device Description”(DD) ?
Uma descrição detalhada das características de um instrumento
Os “Device Descriptions são escritos em uma linguagem especial de programação chamada“Device Description Language”(DDL).
Tecnologia FOUNDATION fieldbus
64
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Os Device Descriptions são fornecidos para um sistema anfitrião assim o anfitrião pode “interpretar” os dados fornecidos para o equipamento fieldbus.
Device Descriptions adicionalde diversos fabricantes .
PARA UMSISTEMAANFITRIÃO
Standard Device Descriptions da Fieldbus Foundation.
. . .
Z
StandardDD
A
FOUNDATION fieldbus Technology
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
Valor é lido de umequipamento fieldbus.
A Descrição do valor é lida de um anfitrião proveniente de um Device Description.
Número de dígitos de precisãoUnidade de Engenharia
Etiqueta do valor
25.50 Measured_Value
%Fieldbus
Tecnologia FOUNDATION fieldbus
65
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
O Device Descriptions permite operação de equipamentos de diferentes fabricantes na mesma rede fieldbus com somente uma versão de interface de programação.
Device Descriptions
Fieldbus
Equipamento dofabricante A
DEVICE DESCRIPTION
Equipamento dofabricante B
Date: 18/08/2002File: /home/miti/doc/phd/papers/2002/words02/presentation/words02_v2.ppt
RECURSOS AI PID
TEMP VAZÃO
PARAMETROSUNIVERSAIS
PARAMETROSDE BLOCOS
DE FUNÇÕES
PARAMETROSDE BLOCOS
TRANSDUTORES
PARAMETROSESPECIFICOS
DO FABRICANTE
BLOCO DERECURSOS
BLOCOSTRANSDUTORES
BLOCOS DEFUNÇÕES
DEFINIDOS PELAESPECIFICAÇÃO
DA FIELDBUSFOUNDATION
DEFINIDOS PELOFABRICANTE
DEVICE DESCRIPTIONS
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