Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Diagnostika provozních sběrnic

Diagnostika provozních sběrnic

V současné automatizaci je věnováno značné úsilí získávání diagnostických informací, dovolujících zhodnotit stav jednotlivých automatizačních prostředků, popř. naplánovat jejich seřízení, opravu nebo výměnu dříve, než se porouchají. Takto jsou sledovány snímače, ventily, pohony a další prvky. K přenosu diagnostických informací do nadřazeného systému se často používají provozní sběrnice. Někdy se ale trochu zapomíná na to, že i samotná sběrnice potřebuje diagnostiku a údržbu. Zatímco u paralelního zapojení snímačů, např. pomocí proudové smyčky, dojde při selhání spojení ke ztrátě komunikace s jediným přístrojem, u sériové sběrnice může vést porucha ke ztrátě komunikace se všemi přístroji napojenými na daný segment.

Společnost Turck proto na veletrhu Hannover Messe 2007 uvedla na trh Foundation Fieldbus Diagnostic Power Conditioner System (dále DPC System), zařízení, které může dlouhodobě detekovat provoz sběrnice Foundation Fieldbus (FF) H1. Díky dlouhodobému sledování sběrnice prostřednictvím diagnostických jednotek ADU (Advanced Diagnostic Unit) v jednotlivých segmentech sítě FF H1 lze odhalit zdroje a příčiny i sporadicky se objevujících chyb, způsobených např. rušením, nebo plíživé, dlouhodobé změny. K preventivní údržbě přispívá také systém upozornění a varovných hlášení – alarmů odesílaných při závadách a selháních sběrnice.

DPC System

DPC System se skládá z napájecích kondicionérů IPS (jeden nebo dva pro jeden segment FF), diagnostických jednotek ADU a komunikačního modulu HSEFD. Napájecí kondicionér přivádí napájení do segmentu FF a současně je stabilizuje tak, aby nebylo závislé na odběru a úrovni vstupního napětí. Jedna stanice umožňuje připojení až čtyř segmentů FF a jednoho diagnostického modulu ADU. Až čtyři stanice (celkem tedy šestnáct segmentů) lze napojit do komunikačního modulu HSEFD. Veškeré komponenty obsahující elektroniku lze v případě potřeby vyměnit za provozu (hot swapping).

Napájecí kondicionér

Hlavní součástí zařízení DPC System je stanice s kondicionéry, která zajišťuje redundantní napájení pro až čtyři segmenty FF H1, v každém segmentu s výstupním proudem do 800 mA a napájecím napětím do 30 V DC. V praxi to znamená, že pomocí DPC System lze napájet segmenty FF do délky až 1 900 m. Současně je zajištěno galvanické oddělení jednotlivých segmentů mezi sebou, stejně jako jejich ochrana proti zkratu. To ovšem nestačí; nemělo by totiž velký smysl diagnostikovat sběrnici, a přitom do ní zanášet další zdroje možných poruch. Proto je zajištěno také galvanické oddělení diagnostických jednotek ADU, monitorujících provoz v daných segmentech sítě, od připojeného segmentu sítě, galvanické oddělení napájecích zdrojů, stejně jako galvanické oddělení komunikačního modulu HSEFD sběrnice FF HSE, která zajišťuje přenos diagnostických informací do nadřazeného systému.

Diagnostické funkce a přenos diagnostických dat

Základem pro realizaci diagnostických funkcí je již zmíněná jednotka ADU. Z jednotek ADU jsou odesílána data v „surovém“ stavu do centrální stanice, kde jsou z nich vytvořeny použitelné diagnostické informace, které jsou potom prostřednictvím vhodného rozhraní předány nadřízenému systému. Pro přenos diagnostických dat ovšem není vhodné použít monitorovanou sběrnici FF H1. Když na ní totiž nastane porucha, nepřenášela by se ani diagnostická data. Navíc objem diagnostických dat může být tak velký, že by jejich přenos sběrnici FF H1 neúměrně přetěžoval (rychlost přenosu FF H1 je 31,25 kb/s). Proto se pro přenos diagnostických dat používá jiná sběrnice – FF HSE (Foundation Fieldbus High Speed Ethernet).

Obr. 1.

Obr. 1. Zařízení DPC System je současně napájecím kondicionérem i diagnostickým nástrojem sítě Foundation Fieldbus

FF HSE je sběrnice na bázi vysokorychlostního Ethernetu, která se používá v průmyslové automatizaci např. pro připojení několika segmentů FF H1 s využitím konvertorů, tzv. linking devices, k řídicímu systému. Stejná zařízení linking devices lze připojit také k systému AMS (Asset Management System), jehož součástí je diagnostika sběrnice, a přenášet do něj prostřednictvím FF HSE diagnostická data, alarmy a parametry z jednotlivých segmentů FF H1.

To přináší dvě zásadní výhody. Za prvé, AMS může získávat všechna diagnostická data, alarmy a parametry ze všech zařízení připojených na sběrnici FF prostřednictvím standardního ethernetového rozhraní. Za druhé, diagnostická data, alarmy a parametry nemusejí být do AMS přenášeny přes řídicí systém, neboť jsou řídicímu systému i AMS dostupné paralelně. Komunikační jednotka HSEFD se v rámci sběrnice FF chová jako provozní zařízení na síti HSE; k němu připojené „senzory“ jsou diagnostické jednotky ADU jednotlivých segmentů FF H1.

Jako provozní zařízení FF má DPC System také své funkční bloky, v nichž jsou namapovány individuální diagnostické proměnné. Diagnostická data o stavu fyzické úrovně sběrnice tak mohou být nadřazenému systému předávána prostřednictvím stejné metody knihoven funkčních bloků, jaká se již dlouho používá pro snímače tlaku, teploty, průtoku nebo polohy hladiny; stejně tak i alarmy mohou využívat již osvědčený alarmový systém sběrnice FF.

Díky použití Ethernetu není omezen počet přístrojů, které lze k AMS připojit, ani vzdálenost mezi nimi a systémem.

Zpracování diagnostických dat

DPC System obvykle poskytuje diagnostická data rozdělená do tří skupin:

  • diagnostika fyzické úrovně FF H1,
  • diagnostika vlastních zařízení DPC System,
  • diagnostika komunikace FF HSE.

První skupina dat, diagnostika fyzické úrovně FF H1, je nejdůležitější. V rámci této skupiny jsou data rozdělena do dvou podskupin: elektrické měřené veličiny a komunikační měřené veličiny. Kvalita komunikace v daném segmentu je obvykle závislá na elektrických veličinách, jako jsou kolísání, šum, zvlnění a amplituda signálu. Za dobu provozu zařízení, plánovaného např. až na dvacet let, se tyto hodnoty dlouhodobě mění. Podstatnou výhodou DPC System je, že sleduje tyto veličiny nejen při uvádění komunikačního systému do provozu, ale i dlouhodobě během činnosti zařízení. Obdobné je to u komunikačních veličin. Zde se vyhodnocuje např. počet chybných rámců a sekvencí. Pro operátora může být užitečná též informace, jakou kapacitu má k dispozici pro připojení dalšího provozního zařízení na daný segment.

Obr. 2.

Obr. 2. Zobrazení hodnot diagnostických veličin pomocí DTM

Všechny potřebné hodnoty sledovaných proměnných lze zobrazovat s využitím nástrojů Device Description (DD) nebo DTM (Device Type Manager). V praxi ovšem operátor nikdy nesleduje všechny hodnoty diagnostických veličin současně. Ostatně k tomu má právě DPC System, který monitoruje všechny segmenty a generuje upozornění a výstražná hlášení, jestliže sledované parametry překročí stanovené meze. Tato hlášení jsou zobrazována jako jakékoliv jiné alarmy v síti FF. Meze alarmů může obsluha podle potřeby editovat.

Připomeňme, že DTM je univerzální nástroj, jenž umožňuje nastavování parametrů zařízení (on-line i off-line), zobrazování aktuálních hodnot jednotlivých proměnných a grafů s časovými průběhy a statistikami (obr. 2). Rámce DTM mohou být používány jako samostatný nástroj, nebo mohou být součástí komplexního systému AMS.

Shrnutí

Ve stručném shrnutí základních vlastností DPC System je možné toto zařízení nejlépe charakterizovat jako napájecí kondicionér pro sběrnici Foundation Fieldbus s vestavěnými diagnostickými funkcemi. Vyzdvihnout lze možnost napájení až čtyř segmentů FF H1 z jedné stanice, a to o délce až 1 900 m nebo s možností připojit provozní zařízení s velkou spotřebou. DPC System umožňuje realizovat komplexní diagnostiku sběrnice s vazbou na AMS a s možností zobrazovat hodnoty veličin prostřednictvím DTM. Využití systému správy alarmů omezuje přetížení operátorů nedůležitými informacemi. Dlouhodobé sledování sběrnice lze využít k odhalení závad již v jejich počátku, kdy ještě bezprostředně neohrožují spolehlivost a funkčnost sběrnice.

(Bk)