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Differenze e confronto tra tecnologia tradizionale 4…20 mA e Foundation Fieldbus
FF
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Cattolica 6-Giugno-13 GIORNATA DI STUDIO Copyright Fieldbus Foundation, February 2005
MAURO ROMAGNOLIProduct Manager
Specialista Comunicazioni digitali per strumentazione da campoABB SpA
Measurement Products
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Cos‘è Fieldbus Foundation
� Un Protocollo di comunicazione digitale aperto progettato per soddisfare le necessità dell’Industria di Processo
� Bidirezionale
� Multidrop
� per utilizzo anche in aree classificate
� Suddiviso in Bus H1 per il campo e HSE (High Speed Ethernet)
� Bus H1 o a bassa velocità ha caratteristiche per il controllo di processo:
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� Bus H1 o a bassa velocità ha caratteristiche per il controllo di processo:
� Standard IEC 61158-2
� Velocità fissa a 31,25 kBit/sec (Bus H1)
� Alimentazione 9-32 Vdc
� Comunicazione ed alimentazione su 2 fili (Loop-Power)
� Max Lunghezza della linea (doppino) circa 1900 m **
� Max numero di strumenti per linea suggeriti 14/16 per la specifica 32
� Bus HSE o ad alta velocità ha caratteristiche per l’automazione di fabbrica
** max lunghezza dipende da diversi fattori quali topo logia di rete, tipo di cavo, numero di
strumenti etc…etc
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Energia disponibile
Topologie di collegamento
Funzionalità
Differenze Principali con la tecnologia 4..20 mA F
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Funzionalità
Configurazione
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Il segnale analogico 4-20 mA è un sistema di “comunicazione” standard per la strumentazione industriale
• Il loop di corrente 4-20 mA rappresenta il segnale di misura dei trasmettitori • Lo stesso loop di corrente alimenta anche il trasmettitore,• Il segnale di misura è valido tra 3.8 e 20.5 mA mentre, in caso di anomalia, il
segnale va alla soglia di allarme selezionata di 3.6 mA o oltre 22.0 mA
Energia disponibileF
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Device malfunction
22.03.7
Analog Output saturated
3.8 (-1.25%) (103.125%) 20.5
Normal Operation
3.6
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Energia disponibile
• La condizione più critica è quando lo strumento va in allarme a 3.6 mA perchè lo strumento deve continuare a funzionare con meno di questa corrente.
• Questa ridotta disponibilità di energia non consente a strumenti 4…20 mA di svolgere calcoli e funzionalità complesse che sarebbero realizzabili se ci fosse più energia disponibile.
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�Viceversa, gli strumenti Fieldbus non hanno questa limitazione e hanno a disposizione più di 10 mA.
�Comunicazione con modulazione in corrente a ±9mA!
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Topologie di Collegamento
Host Interface
Host Interface
Ogni strumento analogico è collegato tramite due fili ad una scheda di I/O che converte il segnale 4..20 mA in una misura in formato ingegneristico
Anche gli strumenti FF sono collegati con due fili ma, sullo stesso doppino possono essere collegati più strumenti:Le uscite degli strumenti sono già in formato ingegneristicoLe schede di I/O spariscono perche la loro funzione Analog Input (AI) migra all’interno dello strumento stesso
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HSE Fieldbus
I/O Interface
Ethernet Field Device
LinkingDevice
Interface
H1 Fieldbus
H1 Fieldbus
Controller
I/O Interface
Controller
4..20 mA
45.2 °C89.1 m
bar
89.1 mbar45.2 °C
512 m3/h
512 m3/h
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Topologie Fieldbus
H1 Segment
Bus with Spurs
H1 Segment
Junction Box
Tree
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Junction Box
H1 Segment
SCONSIGLIATA !!!
Daisy Chain
H1 Segment
Bus & Spur
Tree
MISTA !!
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Funzionalità distintive di FF
• I Blocchi Funzione (Function Blocks)
– Controllo distribuito in campo
• La Funzione ‘LAS’ (Link Active Scheduler)
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• La Funzione ‘LAS’ (Link Active Scheduler)
– I tipi di comunicazioni usate da FF
– Il Macrociclo ed il Determinismo
• I files DD e CFF
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Struttura a “Blocchi” dati in strumenti FF
Gli strumenti FF contengono molte variabili e informazioni distribuite/mappate in diversi “Blocchi”
BloccoRisorse
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BlocchiFunzione
Blocco Trasduttore
FieldbusFOUNDATION™
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Gli strumenti FF hanno almeno 3 “Blocchi”
• 1 blocco risorsa (Resource Block)– Contiene dati che descrivono le caratteristiche generali del dispositivo:
• Revisioni• Numeri di serie
• 1 blocco trasduttore (Transducer Block)– Connessione tra il mondo fisico (processo) e il mondo informatico (conversioni)
• Acquisizione e conversione della misura di processo in formato ingegneristico• Limiti e Calibrazione del sensore
• 1 blocco funzione (Function Blocks)
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• 1 blocco funzione (Function Blocks)– Di Ingresso (Analog Input) per i trasmettitori o – Di Uscita (Analog Output) per gli Attuatori ……
…..che sono direttamente connessi al relativo blocco Trasduttore dal quale ricevono le misure in formato ingegneristico, e applicano le opportune scalature richieste per lo specifico controllo di processo.
In aggiunta possono esserci molti altri Blocchi Fun zione
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Function Blocks…..Cosa sono e cosa fanno?
• I Function Blocks sono “moduli” software che:1- ricevono delle misure o variabili in ingresso…. 2- .... le elaborano attraverso formule/algoritmi di calcolo….3- …. producono i risultati in uscita
Function Block model
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OutputsInputs
Mode Structure(Manual, Auto, etc...)
Algorithm
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Function Blocks…. Quali e quanti sono?
Input Class• AI analog input• DI discrete input • MAI multiple analog input • MDI multiple discrete input• PUL pulse input
Control and Calculate Class
• TIME timer and logic• LLAG lead-lag• OSDLoutput selector / dynamic limiter• DENSdensity• CT constant• FFET flip-flop and edge trigger• MBCS modbus control slave• MBSS modbus supervision
Standard Function Blocks
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Control and Calculate Class• PID PID control• EPID enhanced PID• APID advanced PID• ARTHarithmetic• SPLT splitter• CHAR signal characterizer• INTG integrator/totalizer• AALManalog alarm• ISEL input selector• SPG setpoint ramp generator
• MBSS modbus supervision slave
• MBCM modbus control master• MBSM modbus supervision master
Output Class• AO analog output• DO discrete output • MAO multiple analog output• MDO multiple discrete output• STEP step output PID
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Function Blocks….. Come si usano?
• I Function Blocks possono risiedere nel Controllore (tradizionale) e/o negli
strumenti da campo come Trasmettitori o Posizionatori
• I Function Blocks di controllo contenuti in uno strumento, possono essere
usati anche da altri strumenti connessi sullo stesso segmento/rete
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• Collegando virtualmente tra loro (link) diversi Function Blocks si progetta
una strategia di controllo……..
• ……..se i Function Block sono residenti negli strumenti si realizza un
controllo distribuito in campo
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Applicazioni Tipiche
AI DI
AO DO
M
AOInput
OutputManualControl
AI
PID
AORatio
Control
AI
R
AI
PID
Feedback Control
AI PID AO
AI
PID
AI
PID
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AI
PID
AO
AI
DI
FeedforwardControl
AI
PID
AOCascadeControl
AI
PID
PID
AO
Split RangeControl
AO
BG BG
PID
AO
OverrideControl
CS
PID
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ValvePIDIN
OUT
BKCAL_IN
Controller
Regolazione
Function Blocks …..nell’uso tradizionaleF
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FIELDVUE
AO
BKCAL_OUT
CAS_IN
AIOUT
TraditionalCONTROLSYSTEM
Valve
Transmitter
PIDIN
Input Board Output BoardMeasure Signal
ProcessingSignalProcessing
Actuate
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Function Blocks….nella soluzione FF
Host
ValvolaTrasmettitore
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massima flessibilità
PIDIN
OUT
BKCAL_INFIELDVUE
AO
BKCAL_OUT
CAS_IN
AIOUT
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PID PID
Function Blocks….Controllo di Cascata Convenzionale
DCS
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4 -20 mA 4 -20 mA
AI
PID
AI AO
PID
4 -20 mA
I/O Cards
DCS
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Function Blocks….Controllo di Cascata con FF
DCS
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AI
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PID Fieldbus
PID
AO
OUT
BKCAL_IN
OUT
BKCAL_OUT
BKCAL_IN
CAS_IN
OUT
CAS_IN
INOUT
INOUTAI_1
AI_2
PID_1
(Master)
AO
PID_2
(Slave)BKCAL_OUT
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Function Blocks..Ma cosa cambia per gli strumenti?
• Gli strumenti FF non sono valutati solo per la loro
funzione tradizionale di misura ma anche per la loro
capacità di calcolo
• Se si vuole realizzare del controllo distribuito bisogna
selezionare strumenti che contengano numero & tipi di
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selezionare strumenti che contengano numero & tipi di
Function Blocks necessari allo scopo
• E’ anche necessario verificare il loro ‘Execution Time’
per capire se sono adeguati alle perfomance di controllo
richieste
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Fieldbus Data Sheet (example) Tag Number:_______________________________
Basic Fieldbus Function Blocks Advanced Function Blocks Segment Information
� Analog Input (AI) Number
_________ Execution Time (msec)
� Pulse Input (PI) Execution Time (msec) Device:
� Discrete Input (DI) Number
Execution Time (msec)
� Complex Discrete Output (CDO)
Execution Time (msec)
Segment #:
� Bias (B) Execution Time (msec) � Device Control (DC)
Execution Time (msec)
LAS Capable: YES � NO �
� Manual Loader (ML)
Execution Time (msec)
� Integrator (I) Execution Time (msec) Device current draw (mA):
Device Minimum Voltage:
� Proportional/Integral/Derivative (PID)
Execution Time (msec)
� Analog Human Interface (AHI)
Execution Time (msec)
Device capacitance:
Polarity Sensitive: YES � NO �
� Analog Output (AO) Number
Execution Time (msec)
� Input Selector (IS) ____ Execution Time (msec) Segment terminator location:
� Discrete Output (DO) ___ Number
Execution Time (msec)
� Lead Lag Controller (LL)
Execution Time (msec)
VCR’s:
DD Revision:
� Control Selector (CS) � Signal Splitter (SS) Execution Time (msec) CCF Revision:
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� Control Selector (CS)
Execution Time (msec)
� Signal Splitter (SS) Execution Time (msec) CCF Revision:
� Proportional/Derivative (PD)
Execution Time (msec)
� Timer (T) Execution Time (msec) ITK Version :
� Ratio (R) Execution Time (msec) � Arithmetic (A) Execution Time (msec)
� Digital Alarm (DA) Execution Time (msec)
� Calculate (C) Execution Time (msec)
� Analog Alarm (AA) Execution Time (msec)
� Deadtime (D) Execution Time (msec)
� Complex Analog Output (CAO) Execution Time (msec)
� Complex Analog Output (CAO)
Execution Time (msec)
� Set Point Ramp Generator (SRG)
Execution Time (msec)
� Signal Characterizer (SC)
Execution Time (msec)
� Digital Human Interface (DHI)
Execution Time (msec)
� ______________ ______ Execution Time (msec)
Notes
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Struttura di un Trasmettitore FF
Device
VFD
AnalogInputBlock
Channel Link
Competenza dello StrumentistaDAP (Device Application Process)
Transducer
ResourceBlock
(Only 1)
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Block
DigitalInputBlock
Channel Link
CAP
Competenza Dell’ingegneria di ControlloCAP (Control Application Process)
TransducerBlock(s)
(Only 1)
DAP
Physical I/O
PID BlockLink
Link
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LAS (Link Active Scheduler)….. Cos’è ?
• La funzione LAS è il coordinatore di una rete FF
• La sua funzione è anche chiamata “Arbitro di BUS” perchè uno dei suoi compiti è di gestire il traffico delle comunicazioni che devono intercorrere tra strumenti e tra strumenti e DCS
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devono intercorrere tra strumenti e tra strumenti e DCS
• Può essere immaginata come quella del “direttore d’orchestra” che coordina gli “orchestrali” (strumenti da campo) che devono seguire uno “spartito” (Macrociclo)
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LAS (Link Active Scheduler)….. a Cosa serve?
• Il LAS si occupa di
• Auto-rilevazione degli strumenti connessi sul bus (live List)
• Assegnamento automatico dell’indirizzo di rete e ricerca con TAG
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• Gestione delle comunicazioni Scheduled and Unscheduled
• Time Distribution (Sincronizzazione fra gli strumenti)
La funzione LAS in forma ridotta può essere sviluppata
anche negli strumenti da campo (Backup LAS)
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• Unscheduled (asincrone)
– Client Server (one to one)
• Usata per messaggi di Configurazione / Manutenzione / Monitoring degli strumenti
• Trasmesse solo su intervento/richiesta dell’operatore
– Report Distribution (one to many)
• Usate per la Notifica di Eventi/Allarmi e per la trasmissione di Trend.
LAS (Link Active Scheduler)…..i tipi di ComunicazioniF
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• Usate per la Notifica di Eventi/Allarmi e per la trasmissione di Trend.
• Trasmesse da strumento con allarmi attivi solo quando il LAS gli passa il Token
• Scheduled (Sincrone)
– Publisher Subscriber (one to many)
• Usate per la pubblicazione/scambio di variabili tra Function Blocks collegati “link”
tra loro
• Esclusivamente dedicate alla realizzazione del Controllo di Processo
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il Macrociclo
PIDBK_CAL IN
OUT
IN
OUTAI
Device 1
Device 2
Device 3
IN
Device 4
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CAS_IN AO
BK_CAL OUT
DISPIN
IN
IN
OUTAI
tAIN
AIN
UNSCHEDULED
Request/ResponseCommunication(Unscheduled)VCR1
VCR2
PID
AOUT
DISP
MacroCycle
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Sistema Deterministico
DISP
Unscheduled
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AIN
AIN
PID
AO
DISP
AIN
AIN
DISP
PID
AO
AIN
AIN
PID
DISP
AO
AIN
AIN
PID
DISP
AO
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Sistema Multimaster
• FF distingue 2 tipi di strumentazione: “Link Master“ e “Basic“• Solo strumenti “Link Master“ supportano la funzione di Backup-LAS
H1 - ridondanza del “LAS”F
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LAS
H1 Fieldbus
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
LINK MASTERDEVICE (primary)
LINK MASTERDEVICE (back-up)
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La funzione Backup LAS
• La funzione Backup LAS negli strumenti da campo E’ di fatto una ridondanza funzionale perchè mantiene ‘vive’ le operazioni di controllo anche nel caso il Link Master (primary LAS) fallisce
• La funzione di LAS viene trasferita al dispositivo di back-up quando muore il LAS primario
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LAS
H1 Fieldbus
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
BASICDEVICE
LINK MASTERDEVICE (primary)
LINK MASTERDEVICE (back-up)
LAS
(primary )
quando muore il LAS primario
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Device Description (DD)
Il Device Description è una descrizione estesa di ogni oggetto/parametro all’interno dello strumento, da rendere disponibile attraverso il bus per letture/scritture
Il DD consente ad ogni Host FF di riconoscere ed utilizzare, in modo automatico, il corrispondente Field Device
(E’ da considerarsi come il driver di una stampante)
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⇒ ON-LINE configuration+
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Capability File (CFF)
Il Capability File descrive le risorse dello strumento tipo:
Numbero e tipi di Function Blocks
Tempo d‘esecuzione dei Function Blocks (Execution Time)
Settaggio di default dei parametri/oggetti deiFunction blocks……..
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⇒ OFF-LINE configuration+
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Vantaggi dei Fieldbus
Controller ControllerTraditional
One VariableOne direction
Fieldbus
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I/OSubsystem
One direction Multiple VariablesBoth directions
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Controller ControllerTraditional
View stops at I/OSubsystem
Fieldbus
Vantaggi dei FieldbusF
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I/OSubsystem
Subsystem View extends into Instrument
Instrument extendsto view process
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Controller Controller FieldbusPID
Traditional
Some Controls and I/O can
Vantaggi dei FieldbusF
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I/OSubsystem
AO
AI
Some Controls and I/O canmove to field Instruments
AIAO
PID
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Controller ControllerTraditional Fieldbus
Vantaggi dei FieldbusF
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I/OSubsystem One I.S. barrier, One Wire
for many Devices
I.S. I.S. I.S.
One I.S. barrierOne Wire I.S.
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Analog / Digital communication
Quali sono le differenze tra una comunicazione analogica e una digitale nell’automazione di processo ?
• Trasmissione of solo una variabile di processo (il valore della corrente 4..20 mA)
• Può essere trasmessa più di una variabile di processo
analog digital
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mA)
• Riconoscimento di problemi di collegamento (interruzione della linea)
• Riconoscimento di problemi di strumento (Sensor Fail) sotto forma di livello del segnale d‘uscita 3.6 mA / 22.0 mA
• Ogni variabile di processo è trasmessa con il suo Quality Status (Bad, Uncertain, Good)
• Le variabili di processo sono trasmesse in formato ingegneristico e ad Alta risoluzione
• Le informazioni di diagnostica riguardo rotture nello strumento possono essere trasmessi per funzioni di Asset Management
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Sommario del confronto
• Sparisce il segnale d’uscita 4…20 mA e relativo convertitore D to A
• La funzione dell’I/O Card che, in sala controllo, converte il segnale
4…20 mA in formato digitale migra all’interno del trasmettitore
stesso…… La misura è trasmessa in formato ingegneristico (es:
27.5 °C o 300.45 mbar)
• Non è indispensabile settare un campo di misura o d’uscita in
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• Non è indispensabile settare un campo di misura o d’uscita in
quanto lo strumento fieldbus misura e trasmette in formato digitale
tutto quello che è all’interno dei limiti fisici del sensore……il
settaggio del campo d’uscita serve:
– Se si vuole leggere la misura in percentuale del campo di misura
– Se la misura è derivata, ad esempio una Portata misurata con un dP
– Come semplice informazione per l’utente o il DCS ma non ha effetto sui
calcoli
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Sommario dei vantaggi
• Topologia Multidrop, un doppino per più strumenti
• Più energia per gli strumenti non vincolati dal loop di corrente 4-20 mA.– Più informazioni disponibili per Monitoraggio - Diagnostica - Controllo
• Misura disponibile come valore reale espresso nella unità di misura selezionata e con in aggiunta una validazione del valore stesso (Status Byte)
– Le misure sono composte di 5 Bytes (Input/Output)
– I 5 Bytes sono composti da 4 Bytes floating point e 1 Byte di Quality Status• BAD + Dettaglio
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• BAD + Dettaglio
• UNCERTAIN + Dettaglio
• GOOD + Dettaglio
• Integrazione fra Local Devices/Control System
• Migliore precisione dovuta all’assenza di conversioni A/D e D/A
• Minore ritardo di aggiornamento/propagazione dell’informazione dovuto a minor numero di elementi tra lo strumento ed il DCS
• Maggiore Flessibilità
V V V VS
-1.17549435 E-38 ... 3.40282347E398 Bits for status description accordingto NAMUR NE107
0 – 127 Bad / Uncertain128 – 191 Good / Maintenance
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Sommario dei vantaggi
Riduzione di:• Cavi e Armadi di connessione• I.S. Barriers• Input / Output Converters
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• Alimentatori ed Armadi• Spazio per sale di controllo dell’impianto
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Test comparativi di controllo in campo e tradizionaleF
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Control in the Field Provides Superior Reaction to Deterministic Disturbance in the Process
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Test comparativi di controllo in campo e tradizionale F
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SorgenteF
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