XXX. ASR '25 Seminar, nstruments and Control, Ostrava, April 29, 25 63 ntelligent Field nstruments and FDT/DTM Standard nteligentní polní instrumentace a FDT/DTM standard FORMÁNEK, vo Doc. Dr., ng., Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 7. listopadu, Ostrava - Poruba, 7 33 ivo.formanek@cz.abb.com Abstrakt: Katedra automatizační techniky a řízení, fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava spolupracuje s mnoha průmyslovými podniky v České republice. ABB s.r.o. je jedním z nich. Aby pomohla studentům katedry při jejich studiu, ABB předala na katedru poměrně rozsáhlý a velmi moderní průmyslový informační a řídicí systém. Jeho součástí je i inteligentní (někdy také smart) polní instrumentace. Součástí dodávky je i podpůrný software pro management sběrnicově orientované polní instrumentace. Kromě programování PLC se tak mohou studenti postupně seznámit s mnoha typy komunikačních sběrnic a komunikačních standardů. Jedním z nejmodernějších komunikačních standardů je v současné době standard FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager). Klíčová slova: informační a řídicí systém, polní instrumentace, komunikační standardy. Úvod ABB je významnou mezinárodní technologickou a elektroinženýrskou společností, která působí v České republice již od roku 97. Její podnikatelská aktivita je zaměřena na následující oblasti: oblast energetiky výroba, chránění, přenos elektrické energie oblast průmyslové automatizace výroba elektrických motorů, pohonů a měničů a HW a SW aplikace pro řízení výrobních technologií (chemický průmysl, hutnictví, výroba papíru a celulózy, výroba stavebních hmot, strojírenský průmysl, atd.) Do ABB group v současné době patří i několik renomovaných výrobců polní instrumentace. Z těch nejvýznamnějších to jsou například: Bailey, Fischer+Perter, Hartman+Braun, ABB Extrel, ABB Kent-Taylor, Schoppe+Faeser Gmbh, TB-Bailey, Bomem, Alfa Laval Automation a SENSYCON. Významnou část portfólia výše uvedených výrobců představují výrobky, které lze zařadit do kategorie inteligentní polní instrumentace. ABB se rozhodla využít své výhody komplexního výrobce automatizační techniky a poskytla VŠB Technické univerzitě Ostrava pro účely výuky moderní průmyslový informační a řídicí systém (ŘS), jehož součástí jsou i inteligentní čidla. Součástí dodávky je i podpůrný software pro management dodaných čidel. Kromě programování moderních průmyslových ŘS se tak mohou studenti seznámit s nejznámějšími typy komunikačních sběrnic a s nejznámějšími typy komunikačních standardů. Jedním z nich je standard FDT/DTM (Field Device Tool/Device Type Manager). 2 Úloha současných průmyslových ŘS nformační a řídicí systémy (dále jen ŘS) představují velmi významný integrační a integrující činitel současných výrobních podniků. Důvodem je skutečnost, že všechny podnikové funkce (tvorba a specifikace podnikatelského záměru, výzkum a vývoj, plánování a technologická příprava výroby, zásobování, výrobní procesy, prodej, expedice a distribuce výrobků, servis a zákaznické služby atd.) jsou přes ŘS vzájemně velmi úzce propojeny. Aby
XXX. ASR '25 Seminar, nstruments and Control, Ostrava, April 29, 25 64 byly ŘS skutečným přínosem pro výrobní podniky, musí být vertikálně a horizontálně integrované, geograficky vhodně distribuované, otevřené, spolehlivé a uživatelsky přístupné. Nedílnou součástí těchto systémů jsou dnes i inteligentní čidla. 3 Připojení čidel k ŘS V poslední době rostou požadavky na efektivní komunikaci čidel s nadřazenými ŘS. Stručně lze současné způsoby připojení čidel rozdělit na: připojení pomocí proudové smyčky 4 až 2 ma připojení pomocí proudové smyčky 4 až 2 ma a komunikačního protokolu HART připojení pomocí komunikačních sběrnic. Výhodou komunikace po proudové smyčce 4 až 2 ma je její jednoduchost, rychlost a spolehlivost. Tento způsob se používá pro přenos informace z výstupu snímače na analogové vstupy ŘS a pro přenos informace z analogových výstupů ŘS do akčních členů. HART (HART Field Communication Protocol, resp. Highway Addressable Remote Transducer Field Communication Protocol) je komunikační protokol, který je provozován na standardní proudové smyčce 4 až 2 ma. Prostřednictvím protokolu se přenášejí data v digitální podobě. Analogový i digitální způsob komunikace probíhá současně po stejném kabelu. Komunikace pomocí komunikačních sběrnic je nejmodernější způsob připojení čidel k ŘS. Z důvodu velkého množství používaných sběrnic a komunikačních protokolů je však tento způsob také poměrně nepřehledný - různé druhy průmyslu používají nejen různé řídicí technologie, ale i různé typy protokolů, různé vývojové prostředky atd. Protože se přes veškeré snahy nedaří tuto pestrost omezit (komplikuje život nejenom uživatelům, ale také výrobcům), začala v poslední době řada výrobců automatizační techniky investovat do nového SW standardu FDT/DTM. Tento standard využívá možností inteligentních přístrojů (vestavěný mikroprocesor, obousměrná komunikace s okolím, vnitřní diagnostika, vlastní parametrizace atd.) a snaží se o standardizaci připojení inteligentních čidel v oblasti SW. 3. Čidlo jako objekt Koncepce FDT/DTM vychází z předpokladu, že architektura systému a modelování objektů v automatizaci musí být pro uživatele dostatečně univerzální a flexibilní. Tento požadavek lze splnit jen tehdy, kdy na daný přístroj pohlížíme jako na objekt. V softwarových technologiích je metoda objektové orientace dnes standardem. Tento přístup však většinou končí na hranici dosaženého produktu - objektu. Například funkční bloky a signály budou přiřazeny k měřicímu bodu. Podíváme-li se na přístroje blíže, mnoho dalších informací nám bude scházet. Jsou to např. detailní data, dokumentace, vnitřní zapojení atd. Cílem standardizace proto musí být dostupnost všech požadovaných aspektů (pohledů) pro uživatele v integrovaném prostředí. Příklady aspektů přístroje jako objektu automatizace jsou: měřicí bod popis přístroje katalogový, resp. technický list konfigurační data kalibrační funkce propojovací schémata instalační schémata funkční plánování signál geografické umístění procesní data diagnostika asset management atd. Řídicí systémy - včetně svých periferií - jsou již schopny výše uvedeným požadavkům vyhovět. Problém však nastává u připojení inteligentních přístrojů externího výrobce. Jak by měl inženýrský nástroj generovat data k přístrojům, o kterých nic neví? 3.2 Vznik standardu FDT/DTM Nevyužitý potenciál pro inženýrské nástroje a nástroje údržby a složité uživatelské prostředí vedlo ke společné iniciativě. Ke konci 9. let si výrobci řídicích systémů a akčních členů ABB, Siemens, Endress+Hauser, nvensys, Metso uvědomili potřebu vyplnit mezeru
XXX. ASR '25 Seminar, nstruments and Control, Ostrava, April 29, 25 65 mezi současnými metodami konfigurování přístrojů a vývojovým prostředím řídicích systémů. Cílem skupiny dnes organizované pod společenstvím FDT Joint nterest Group (FDT JG) bylo definovat standard pro konfigurační nástroj inteligentních přístrojů nezávislých na typu výrobce a typu protokolu (HART, FOUNDATON Fieldbus, Profibus a Ethernet). Podobný model dnes existuje např. při jednorázovém instalování ovladače na tiskárnu do operačního systému. Tisk a formát, informace o tiskárně, grafické zobrazení a jiné můžeme nastavovat z Excelu, Wordu, internetového prohlížeče atd. bez nutnosti instalovat ovladač do každého zvlášť. Hlavními cíli společné aktivity bylo získat: centrální stanici pro plánování, diagnostiku a servis s přímým přístupem ke všem inteligentním prvkům integrované konsistentní konfigurování a dokumentace inteligentních prvků řídicího systému a sběrnic vkládání dat v inženýrském prostředí pouze jednou centrální databázi a zálohování snadné a rychlé začlenění nového přístroje do řídicího systému nastavení komunikace přístroje a přenos dat přes různé komunikační úrovně. Stručně lze tedy konstatovat, že FDT specifikuje interface pro přenos dat mezi přístroji, softwarovými komponety a inženýrským nástrojem. Nabízí se integrace tam, kde je nejvíce vyžadována, tedy v inženýringu, diagnostice, servisu a správě aktiv (asset managment). Podobně jako ovladač u tiskárny i DTM obsahuje veškeré základní detailní informace popisující daný přístroj nebo inteligentní člen (může to být i vstupně výstupní jednotka s podporou HART protokolu atd.). DTM je zaintegrováno do systémového nástroje pomocí sady interfejsů definovaných ve specifikaci. Přes tyto interfejsy si DTM a hostitelská aplikace mohou zpracovávat a přenášet potřebná data a probíhat interakce. Architektura je vysoce flexibilní a rozšiřitelná, umožňuje implementovat pouze základní nástroje na počátku a postupem času rozšiřovat funkčnost. Tyto funkce přibývají v jednotlivých verzích FDT. Speciální funkce používané ve sběrnicových systémech jsou zapracované (encapsulated) v XML dokumentu, který je přenášen přes jmenované interfejsy. Tato vlastnost umožňuje transparentní chování interfejsů vůči sběrnicím a další případné použití nebo přidání nového sběrnicového protokolu. Definuje se pouze nové XML schéma pro danou sběrnici mezi DTM a hostitelskou aplikací. V současné době existuje schéma pro HART, Profibus a v nejbližší době bude rozšířeno i o Foundation Fieldbus. Ovladač DTM je tedy charakterizován následujícími vlastnostmi: uživatelské rozhraní (včetně popisu help ve více jazycích) uživatelský wizard návod na komplexní konfigurace uvádění do provozu (např. kalibrace) čtení a vypisování parametrů diagnostické funkce specifické pro daný přístroj generování specifické dokumentace. Důležité tedy je, že při tvorbě DTM jakéhokoliv přístroje není nutné znát cílovou hostitelskou aplikaci, ve které bude nakonec používána. Komunikace DTM je implementována tak, že se uživateli jeví, jako by existovalo přímé datové propojení s přístrojem. DTM se nemusí zabývat různými druhy databází, správou jednotlivých souborů, které jsou používány v konfiguračním systému. Tzv. hostitelská aplikace - nebo-li rámcová (frame) aplikace v terminologii FDT - zajišťuje následující služby: ukládání a distribuování dat všech instancí přístrojů pro DTM koordinace jednotlivých verzí a archivace dat. souborů DTM garance konsistence dat napříč podnikovým systémem řízení činnosti přístroje v rámci topologie klient/server vytvoření komunikace k přístroji a organizaci dat přes různé typy protokolů, sběrnic, adresovacích schémat atd.
XXX. ASR '25 Seminar, nstruments and Control, Ostrava, April 29, 25 66 3.3 FDT a OPC Posláním obecně rozšířeného standardu OPC (OLE for process control) je datové, horizontální i vertikální propojení jednotlivých softwarových i hardwarových částí v celkovém řešení automatizace technologického procesu. Tato platforma nabízí otevřenou specifikaci (OPCDA, OPCDX atd.), která umožňuje výrobcům řídicích systémů a systémovým integrátorům vyvíjet klient/server softwarové produkty sjednocující různé isolované části řízení v jeden celek. Konečný uživatel může přes OPC získat obecný přístup k datům navzdory různým hardwarovým výrobcům na straně zdrojů dat. Rozšiřující se Field Device Tool u výrobců řídicích systémů a přístrojů otevírá možnost vyvinout plug and play datový přístup, který umožňuje snadný přístup k OPC klientům. FDT standard nabízí doplňující technologii k OPC a stejně jako OPC je také na bázi technologie operačního systému Microsoft a COM (component object model). Dalším společným znakem je otevřenost, která zajišťuje uživateli ochranu investic snížení pořizovacích nákladů, zároveň rozšiřující se produktové portfolio potenciálních výrobců. 3.4 Asset management Mimo běžně měřenou proměnnou hodnotu se může využít řada dalších užitečných informací o přístroji, které se přenáší do systému. Zdokonalená integrace automatizačních systémů a údržbových, manažerských systémů v reálném čase, umožňuje přenos dat z techologické úrovně inteligentních přístrojů přímo do CMMS. Jedná se především o tyto informace: rozsáhlé diagnostické funkce self test kalibrační funkce volby aktualizace parametrů odhadovaná, zbývající doba životnosti. Analýza v kombinaci s živými daty o přístroji bude poskytovat celkový obraz o sledovaném objektu. Např. zvýšená teplota média nad stanovenou mez může u průtokoměru ovlivnit jeho životnost a včasný zásah při podobných defektních stavech sníží výpadky a náklady na opravy. 23/4V Profibus PA teploty teploty 2 4 2mA Měnič motoru Profibus DP 4 2mA, HART Motor čerpadla 23V Nádoba s vodou 23V Voda Čerpadlo průtoku Topná spirála tlaku Regulace el. příkonu rychlosti motoru Obr. Zjednodušené blokové schéma laboratorní úlohy
3.5 FDT instalace XXX. ASR '25 Seminar, nstruments and Control, Ostrava, April 29, 25 67 Od vzniku iniciativy FDT v r.2 její rozšířenost plynule stoupá. Dnes zahrnuje více než 33 významných výrobců jako např. ABB, Endress+Hauser, nvensys, Metso, Pepperl+Fuchs, Samson, Siemens, Smar, Vega, Rockwell Automation a další. ABB uvedlo do provozu první rozsáhlou FDT instalaci v BASFu v Ludwigshafenu v Německu. Dnes se jedná o více 4 instalací firmy ABB. Řada instalací je v mnoha kontinentech včetně USA a Kanady. Celkový přesnější výčet všech referencí bohužel není znám. Další firmy typu Buerkert, CEAG, CodeWrights, Danfoss, CS, ifak system, Krohne, M&M, Sick A.G., Softing a Wika testují FDT a připravují vlastní certifikaci a zajištění kompatibility. 4 Laboratorní úloha s inteligentními čidly Pro účely výuky studentů na VŠB-TU Ostrava pomáhá ABB budovat laboratorní pracoviště, které bude vybavené moderním průmyslovým ŘS. Součástí tohoto systému jsou i inteligentní čidla využívající standardu FDT/DTM. Provedení jedné z úloh je zjednodušeně znázorněno na obr.. C 5 4 P M 6 A 9 5 A O D D O A 3 4 2A, HART Profibus DP Modulebus DP/PA RS 232 Profibus PA Operátorský panel PP 22 Servisní PC SmartVision Měnič motoru průtoku teploty tlaku Obr. 2 Blokové schéma laboratorní úlohy
XXX. ASR '25 Seminar, nstruments and Control, Ostrava, April 29, 25 6 Architektura ŘS, který úlohu řídí, je znázorněna na obr. 2. Jeho hlavními konstrukčními částmi jsou: Řídicí systém ABB ACM: - centrální procesorová jednotka PM6: 2MB flash PROM pro uložení firmware, 6MB SDRAM pro aplikační program; komunikační rozhraní Ethernet, EEE 2.3 standard; komunikační rozhraní pro RS232-C; komunikační rozhraní pro optický ModuleBus. - komunikační interface C54 pro Profibus DP-V - komunikační interface A95 pro HART protokol - analogový výstupní modul AO: kanálů, (4) až 2mA/2 bitů - digitální vstupní moduly D: 6 kanálů/ skupina, 24V ss - digitální výstupní moduly DO: 6 kanálů/ skupina, 24V, max,5a ss; tranzistor, odolný zkratu - analogový vstupní modul A3 pro RTD vstup odporového teploměru: kanálů (7+referenční spoj), termočlánky typu B, C, E, J, K, N, R, S, T 3...75mV/5 bitů Čidlo měření rychlosti motoru: impulsní čidlo 24ppr. Frekvenční měnič: ABB ACS--6-3, ovládací panel, RF-filtr, rozhraní pro čidlo otáček, komunikační modul Profibus DP, optické rozhraní Modulebus, meřicí a konfigurační software DriveWindow 2.x. Čidlo pro měření průtoku: ABB elektromagnetický průtokoměr COPA/MAG-XE, P67, komunikace Profibus PA, místní LCD displej, Čidlo pro měření tlaku: ABB převodník tlaku Multi Vision 265GS, P67, komunikace HART (4-2mA), místní LCD displej, místní ovládání vybraných parametrů, součástí tlakoměrný zkušební ventil 967ZPA Čidlo pro měření teploty: ABB odporové čidlo teploty SensyTemp Součástí dodávky ABB je i asynchronní motor: ABB M2AA2 M2, 3GAA, 4kW, 4VD, 5Hz, 25rpm, M, P55, C4, PTC termistory, nezávislé chlazení. 5 Závěr Současní vysokoškolští studenti studijních oborů zabývajících se automatizací, mají poměrně velmi dobrý přístup ke kvalitnímu vzdělávání v teoretických oborech průmyslové automatizace. Průmyslová automatizace však není pouze teorie. V praxi je naopak podstatně důležitější problematika návrhu, projektování a realizace ŘS - včetně řešení problémů týkajících se polní instrumentace. Na technických univerzitách však k této části vzdělávání nebývají vhodné podmínky, protože je finančně velmi náročná. Firma ABB se proto pokusila tyto podmínky vylepšit. Studenti VŠB-TU Ostrava tak mají možnost seznámit se s jedním z nejmodernějších ŘS, s kterými se lze v současnosti setkat na trhu. K dispozici mají i nejrůznější typy čidel a komunikačních standardů včetně standardu FDT/DTM. 6 Použitá literatura KŘENA, M. 24: FDT/DTM standard budoucnosti. Automatizace, roč. 47 (24), č. 2, s. 72-73. SUCHÝ, K. 24: FDT/DTM klíč k potenciálu komunikačních sběrnic.automa, roč. (24), č. 7, s. 46-47.