Foundation Fieldbus Deze paragraaf zal gaan over de opdracht die betrekking had tot de Foundation Fieldbus. Hierin zal worden beschreven hoe de informatie van deze bus in de PLC komt. Bij deze bus zijn echter nog een aantal zaken die men verbeterd wil hebben. De eisen waaraan de opdracht moet voldoen staan in paragraaf 3.2.In dit hoofdstuk zullen de onderzoeksresultaten worden beschreven en zal uiteindelijk ook een conclusie worden getrokken over de reactiesnelheid van de Foundation Fieldbus. De EduLabProcess installatie bevat enkele sensoren en actuatoren die geen gebruik maken van het grotendeels gebruikte Profibus bussysteem, maar het universele Foundation Fieldbus bussysteem. Een aantal verschillen tussen Profibus en Foundation Fieldbus heb ik hieronder even opgesomd. Bij Profibus moeten de adressen zelf worden ingesteld, bij Foundation Fieldbus gebeurd dit automatisch Profibus is een Europese standaard, Foundation Fieldbus een Amerikaanse. Programmeermethode voor Profibus geschied door middel van chronologische stappen. Bij Foundation Fieldbus wordt er gebruik gemaakt van blok georiënteerd programmeren Bij Profibus vindt de besturing centraal plaats, bij Foundation Fieldbus decentraal. Profibus zet de intelligentie in de PLC en Foundation Fieldbus in het veld Uitbreiding van instrumenten kan bij Profibus alleen offline terwijl het bij Foundation Fieldbus zowel offline als online kan Bij Profibus is er mogelijkheid tot uitwisselbaarheid, dit is niet het geval bij Foundation Fieldbus. Op de bus zijn 2 analoge kleppen en een druksensor aanwezig. Om de sensor en kleppen toch te kunnen gebruiken zijn er enkele additionele hardwarecomponenten geïnstalleerd die ervoor zorgen dat het toch werkt via het Profibus bussysteem. Er zijn 2 soorten Foundation Fieldbus: FF HSE FF-H1 FF-HSE is een High Speed Ethernet connectie en kan werken met 100Mbit/s. Het verschil tussen FF-H1 en FF HSE is dat FF-H1 met een lagere snelheid werkt dan HSE, namelijk met 31.25kbit/s. In dit geval wordt er gebruikt gemaakt van FF-H1. Over de snelheid van deze bus zal later nog worden gesproken. Het probleem bij de Foundation Fieldbus is de trage reactiesnelheid van de, op de bus aanwezig, componenten. Omdat de trage reactiesnelheid zich alleen voordoet bij de Siemens besturing ga ik me alleen daarop richten. Het verschil tussen de ABB en Siemens besturing is dat de ABB besturing meteen, via de PLC en een linking device communicatie heeft met de controlekamer. Siemens communiceert via een omweg, namelijk via de Rosemount, Anybus en de PLC. De PLC zal communiceren met de controlekamer. Bij Siemens spelen er dus meerdere componenten een rol. In de volgende paragraaf zal worden omschreven wat de eerder genoemde Rosemount en Anybus zijn. Ook zal aan de orde komen welke acties zijn ondernomen om de reactiesnelheid zo optimaal mogelijk te maken.
Foundation Fieldbus via Siemens Na het verkennen van de bus ben ik begonnen met onderzoek naar de reactiesnelheid van de Foundation Fieldbus. Het probleem was dat de componenten op deze bus te sloom reageerden. Wanneer er een proceswaarde in de OS word ingevoerd duurt het een paar seconden voordat de klep reageert. Dit is veel te lang omdat het openen en sluiten van kleppen essentieel is in een proces installatie. Om de oorzaak van de trage reactiesnelheid te vinden ben ik begonnen met het onderzoeken van de componenten afzonderlijk. Zoals eerder beschreven is het niet mogelijk, door één apparaat te gebruiken, de signalen van de Foundation Fieldbus te converteren naar Profibus signalen. In de onderstaande figuur staat een schematisch overzicht van de Foundation Fieldbus(rood omcirkeld) en de daarbij horende componenten. Siemens PLC Profibus DP Siemens Control Room Anybus DP-link Modbus RTU Rosemount 3420 FF-H1 Verdeelblok ABB Power module ABB HSE High Speed Ethernet ABB Control Room Foundation Fieldbus Figuur 1.0. Schematische weergave Foundation Fieldbus netwerk De kleppen en sensor zijn rechtstreeks aangesloten op de Foundation Fieldbus. In figuur 1 Is te zien dat de signalen van de Foundation Fieldbus eerst naar een ABB powermodule gaan. Deze wordt in het ABB systeem gebruikt om de bus te voorzien van voeding. Deze module wordt uitgeschakeld wanneer er overgeschakeld wordt naar Siemens. De Rosemount voorziet de bus nu van voeding. Er is in de schakeling ook een verdeelblok aanwezig. Deze is nodig omdat meerdere systemen de signalen van de bus moeten gebruiken. Dit blok zorgt ervoor dat alle aangesloten delen dezelfde informatie krijgen.
Anybus DP-link Het configureren van de Anybus DP-Link is niet nodig omdat deze door de fabriek al is geconfigureerd naar wensen van de klant. Het is mogelijk om de kleppen te bedienen via de OS. Wanneer er in de OS een verandering wordt ingevoerd voor 1 of beide kleppen dan zal dit naar de PLC worden gestuurd. Deze PLC zal de signalen op de Profibus zetten. De snelheid van het Profibus netwerk is ingesteld op 93.75kbit/s. Dit is zo ingesteld omdat er een aantal componenten op de Profibus zijn aangesloten die maximaal deze snelheid aan kunnen. De Anybus is een convertor die Profibus DP signalen omzet naar seriële Modbus RTU signalen. De Anybus DP-Link is de master op het Modbus RTU bussysteem, echter gedraagt hij zich ook als slave op het Profibus bussysteem. De Anybus zet dus Profibus DP signalen om naar Modbus RTU(Remote Terminal Unit) signalen. Modbus RTU is een protocol dat seriële communicatie mogelijk maakt. In dit geval wordt er gecommuniceerd via RS485. De tijd die de Anybus erover doet om de signalen van en naar de Rosemount te updaten is 400 milliseconde. Hier zal ik later nog op terug komen. Bij de Anybus is niets te configureren omdat geheel aan de hand van de wensen van Siemens geconfigureerd. Na contact met Siemens blijkt de maximale communicatiesnelheid aan de Modbus RTU zijde van de Anybus 56kbit/s te zijn. Rosemount De Rosemount zal op zijn beurt de signalen van de Modbus omzetten naar de FF-H1 bus signalen. De Foundation Fieldbus is aangesloten op de Rosemount FIM3420. De afkorting FIM staat voor Fieldbus Interface Module. Deze is de master op de Foundation Fieldbus. Op de Rosemount kunnen 4 segmenten met componenten worden aangesloten. In dit geval zijn alle componenten op 1 segment aangesloten. Elk van de segmenten kan maximaal 64 componenten bevatten maar wordt gelimiteerd op het aantal inputs en outputs. De 64 componenten kunnen samen maximaal 8 digitale inputs, 8 digitale outputs, 32 analoge inputs en 16 analoge outputs bevatten. Deze zijn in dit geval lang niet allemaal in gebruik. De snelheid van deze FF-H1 bus is 31.25kbit/s. Het eerste punt dat ik tegenkwam bij de Rosemount was het updaten van de communicatie op de bus. Dit updaten is afhankelijk van het aantal functieblokken die moeten worden gescand per segment. De tabel hiervan is hieronder terug te vinden. Gescande functieblokken Sample tijd per segment (sec) 1 0.3 2 0.4 4 0.5 8 0.7 16 1 32 2.7 64 3.1 128 7.0 Tabel 1. Sample tijd per gescand aantal blokken In dit geval zijn er maar 7 functieblokken aanwezig voor de 3 aanwezige componenten. De sample tijd voor het updaten van de communicatie is dan ongeveer 0.7sec. Het is duidelijk dat het probleem van de reactiesnelheid hierdoor niet ontstaat. Wel speelt de update tijd van de Anybus en PLC hierbij een rol.
Bij de Rosemount is ook de baudrate in te stellen. Baudrate is het aantal bits dat per seconde word verzonden. De Anybus biedt de Rosemount de signalen aan. Deze Rosemount is ingesteld op 38.4kbit/s maar kan verhoogd worden naar 57.6kbit/s. Maar omdat de Anybus een maximale snelheid van 56kbit/s heeft is het niet mogelijk de Rosemount sneller in te stellen. Op de volgende bladzijde staan nog een aantal testen die zijn uitgevoerd om de reactiesnelheid te testen. Testen Een aantal testen die ik heb uitgevoerd hebben betrekking tot de configuratie van de Rosemount. 1. Het laden van DD-files DD (Device Discription)-files zijn bestanden, die ervoor zorgen dat de Rosemount de data die van de op de bus aanwezige componenten komt, begrijpt. Hierin staan alle functies van een instrument of apparaat. De files waren wel aanwezig maar werden niet geladen. Door ze opnieuw te laden werden ze wel door de Rosemount geladen. 2. Config error van de ABB druksensor. De druksensor die op de Foundation Fieldbus is aangesloten heb ik losgekoppeld. Hierdoor werd de reactiesnelheid wel hoger. De snelheid nam met een aantal seconden af. De druksensor stoorde de bus dus enorm. 3. Reactiesnelheid CFC s na verandering in OS. Een CFC is een Continuous Function Chart. Deze charts kunnen in PCS-7 worden aangemaakt voor het aansturen van een equipment module. Een chart bestaat uit 1 of meerder functieblokken. Deze functieblokken bevatten een soort van programma dat ingangen verwerkt naar een uitgang. Deze test was om te kijken hoe snel de CFC s in PCS-7 reageerden op veranderingen in de SCADA applicatie van het OS. Hieruit bleek dat dit 1 seconde duurt omdat de update iedere seconde plaatsvindt. Wat meer informatie over deze tests is terug te vinden in bijlage 1. Terminator Een andere optie waardoor de reactiesnelheid minder hoog kon zijn dan gewenst was de afwezigheid van een terminator. Een veldbus heeft standaard een aan beide uiteinden een terminator nodig. Het doel van de terminator is het voorkomen van signaalreflecties aan het einde van de bus. Deze terminators waren echter al aanwezig dus hier kon het ook niet aan liggen.
Uitkomsten Door een aantal zaken is het niet mogelijk om de reactiesnelheid van de Foundation Fieldbus te verhogen. Deze zaken zal ik even nader bespreken. De PLC communiceert via Profibus met de Anybus. De Profibus is echter niet op zijn maximale snelheid ingesteld. Normaliter zou het 1.5Mbit/s zijn. Maar door enkele sensoren en actuatoren, die maximaal een snelheid van 93.75kbit/s aan kunnen, is de Profibus snelheid ingesteld op 93.75kbit/s. Hierna was de gedachte om de snelheid van de Rosemount te verhogen naar 56.7kbit/s. Dit was echter niet mogelijk omdat de Anybus door de fabrikant was voor geconfigureerd. De maximale snelheid die de Anybus aan de Modbus RTU zijde kan halen is 56kbit/s. Wanneer de snelheid toch op 56.7kbit/s werd gezet, zal de connectie met de Rosemount worden verbroken. De snelheid van de Foundation Fieldbus is niet te verhogen, deze is vastgelegd op 31.25kbit/s. Een ander onderdeel dat een grote rol speelt is de update tijd van de PLC, Anybus en Rosemount. Deze hebben allemaal hun eigen update tijd. In onderstaande figuur staat schematisch weergegeven wat de update tijden zijn. Siemens PLC Update 1 sec. Anybus DP-link Update 0.4 sec. Rosemount 3420 Update 0.7 sec. Foundation Fieldbus Figuur 1.1. Update tijden per component In het ergste geval is mogelijk dat alle updates achter elkaar worden uitgevoerd. Is dit het geval dan zullen de update tijden opgeteld worden en zal deze 2.1sec. bedragen. In onderstaande figuur is een timing diagram weergegeven.
Figuur 1.2. Timing diagram Foundation Fieldbus Ook zijn in de figuur de snelheden van de afzonderlijke bussen te zien. Deze snelheden zijn erg laag. Dit is niet het enige punt. De verschillende update tijden lopen niet synchroon. Hierdoor kan het dus lang duren voordat er opnieuw geüpdate is. Kortom, de reactiesnelheid van de bus is op dit moment optimaal en kan niet worden verhoogd. Dit komt door de volgende punten: 1. Snelheid Rosemount is niet te verhogen 2. Door de vele conversies 3. Snelheden verschillende bussen erg laag Verbeterpunt Het is mogelijk om de componenten van de Foundation Fieldbus te vervangen. Deze zullen dan vervangen moeten worden met componenten die met Profibus kunnen communiceren. Hierdoor zullen de signalen synchroon lopen en zal er geen lage reactiesnelheid meer zijn. Het nadeel is echter wel dat hiervoor componenten aangeschaft moeten worden die met Profibus kunnen communiceren.
Bijlage 1: Testen Foundation Fieldbus Test 1: Zoals in paragraaf 5.1 van het tussenrapport ook al wordt verteld is er bij de Rosemount het een en ander te configureren. Één van deze te configureren onderdelen is het configureren van DD(Device Descriptor) bestanden voor de, op de bus aanwezig, componenten. Deze bestanden zijn te downloaden op de site van de fabrikant. Wanneer deze worden geupload naar de Rosemount komen er enkele blokken in de Explorer van de Rosemount. Met behulp van deze blokken kunnen enkele parameters, specifiek voor een sensor of actuator, worden ingesteld. Op de onderstaande afbeelding zijn enkele van deze, in de Rosemount aanwezige bestanden, te zien. Figuur 1.1. Niet geladen DD bestanden Hierbij is te zien dat er voor de blokken alleen maar gele lampjes branden. Dit houdt in dat de DD bestanden wel aanwezig zijn maar dat deze niet worden geladen. Door de DD bestanden opnieuw in te laden en de applicaties van de Rosemount te herstarten, ontstond het onderstaande scherm. Figuur 1.2. Rosemount met gebruikte DD bestanden Hierop is duidelijk te zien dat er lampjes groen zijn. Dit betekend dat de DD bestanden verbonden zijn met de Rosemount en dat ze in gebruik zijn.
Test 2: De in de Foudation Fieldbus aanwezige druksensor heeft een Config error. Hierdoor zou het zo kunnen zijn dat deze constant pakketten over de bus blijft sturen. Door deze sensor los te koppelen van de bus kon getest worden of dit de oorzaak was. In de onderstaande figuur staan de, na het loskoppelen, aanwezige componenten op de bus. Figuur 1.3. Aanwezige componenten op Foundation Fieldbus Zoals te zien is zijn nu alleen nog de analoge kleppen CV01A en Cvo1B op de bus aanwezig. Door nu de kleppen afzonderlijk aan te sturen kom getest worden of de reactiesnelheid sneller was geworden. Dit bleek echter niet zo te zijn. Heel af en toe opent of sluit de klep wel in 1 seconde. Maar meestal duurt het nog steeds 3 seconden. Hieruit viel te concluderen dat het ook niet aan de Config error lag.
Test 3: Deze test was om te kijken hoe snel de CFC s in PCS-7 reageerden op veranderingen in de SCADA applicatie van het operator station(os). Een CFC is een Continuous Function Chart. Deze charts kunnen in PCS-7 worden aangemaakt voor het aansturen van een equipment module. Een chart bestaat uit 1 of meerder functieblokken. Deze functieblokken bevatten een soort van programma dat ingangen verwerkt naar een uitgang. Iedere blok bevat een titel, een blok voor de sequentie, ingangen, uitgangen en gedeelde in/uitgangen. Figuur 1.4. CFC met kleppen CV01A en CV01B Door in de OS een waarde te veranderen van één van de kleppen en te kijken hoe snel deze verandering werd waargenomen kon gekeken worden hoe snel de communicatie was tussen OS en de CFC s. De CFC s worden iederen seconde ververst. Uit de test bleek dat de verandering van de waarde maar 1 seconde duurt. Ook dit was dus het probleem niet.