Veldbussen in de procesindustrie

Netwerk Veldbussen
Illustratie: Red ivory / Shutterstock.com

Veldbussen en remote I/O: veldcommunicatie in de procesindustrie

Veldbussen en remote I/O zijn veldcommunicatie middelen voor de uitwisseling van berichten in eenduidige en vastgelegde protocollen tussen de apparatuur in het veld en de procesbesturingssystemen.

Uw procescontrole of procesbesturingsysteem kan op diverse manieren verbonden zijn met de apparatuur in het veld. Enkele methodes van veldcommunicatie waarvan de installed base het laatste decennium sterk is toegenomen, zijn remote I/O en netwerken of veldbussen.

Lees hier het laatste nieuws over veldbussen en remote I/O

Globaal kunnen we netwerken indelen naar de maximaal overbrugbare afstand en transmissiesnelheid. Telecommunicatie en Wide Area Networks (WAN) zijn, zoals de benamingen al doen vermoeden, geschikt voor de grotere afstanden en u zult in de procesbesturing dit type netwerk niet veel tegenkomen.

Een Local Area Network (LAN), geschikt voor de procesindustrie zoals Foundation Fieldbus en Profibus-PA, remote I/O en HART, kan echter uitermate geschikt zijn om de traditionele één op één bedrading te vervangen, dan wel functionaliteit toe te voegen.

Begin jaren tachtig van de vorige eeuw begon de Personal Computer (pc) aan zijn opmars. Al snel ontstond de behoefte om binnen een bepaalde omgeving deze stand-alone workstations en eventuele randapparatuur te koppelen middels een netwerk. In feite het ontstaan van het Local Area Network (LAN). Hoewel het LAN ook wel werd gebruikt op de werkvloer met vaak zelf ontwikkelde RS-232/485 protocollen, ontstond aan het eind van diezelfde jaren tachtig de behoefte aan een industrieel netwerkprotocol. Distributed Control Systems (DCS) voorzagen in die behoefte en boden al snel de mogelijkheid om digitaal data uit te wisselen tussen de verschillende onderdelen van het DCS en met apparatuur in het veld middels ‘smart’ processoren opgenomen in de elektronische veldinstrumenten.

Hiermee was het begrip veldbus geboren en begon de toeleveringsindustrie met het ontwikkelen van apparatuur geschikt om te koppelen aan zo’n veldbus. Het ontwikkelen van remote I/O heeft gelijke tred gehouden.

Problematiek en uitdagingen

De gehele of gedeeltelijke overstap van traditionele instrumentatie naar digitale is niet iets wat even tussen koffietijd en lunch wordt bepaald. Uiteraard heeft u zich vooraf op de hoogte gesteld van de technische, organisatorische en economische toegevoegde waarde voor uw applicatie van een veldbus, remote I/O of HART systeem in vergelijking met de traditionele bedradingsmethode. Een van de uitdagingen in het traject is om ‘het management’ ervan te overtuigen dat het installeren van een veldbus, HART of remote I/O systeem voordeel brengt.

Nog afgezien van de mogelijk technische en economische drempels, is de grootste uitdaging wel het teweegbrengen van de vereiste ‘cultuurverandering’ binnen de technische staf. Het onderhouden, diagnosticeren en correct interpreteren van de beschikbare data uit een veldbus systeem of HART, vraagt een andere vaardigheid van de instrumentatiemonteur dan bij de traditionele apparatuur.

Remote I/O is in dit verband wellicht eenvoudiger. Immers, de veldinstrumentatie aangesloten op de remote I/O, kan traditioneel zijn. De ‘digitale’ kant van het remote systeem is gekoppeld aan de ‘host’ of DCS, waarvoor meestal een competent technisch team beschikbaar is.

Principes en technieken veldbussen

Een 4-20 mA signaal is tot op zekere hoogte ‘deterministisch’. Immers, als het signaal lager wordt dan 4 mA of hoger dan 20 mA, zal het controlesysteem de mogelijkheid bieden een grenswaarde in te stellen op bijvoorbeeld 3 mA en 21 mA, en een waarschuwings of alarmsignaal genereren.

Een HART protocol (Highway Addressable Remote Transducer) op de traditionele bedrading geeft al veel meer mogelijkheden. HART maakt gebruik van een digitaal protocol wat bovenop het bestaande 4-20 mA signaal wordt gemoduleerd en staat bi-directionele communicatie toe tussen uw transmitter en ‘host’ systeem. HART (ook wel smart genoemd) is bij veel bedrijven al langere tijd in gebruik als configuratiemethode om bijvoorbeeld het nulpunt en de range van instrumenten vanaf het instrument zelf, of vanaf een klemmenstrook in te stellen. HART (of smart) apparatuur heeft echter veel meer mogelijkheden, zoals instrument troubleshooting, diagnose, continu doorgeven van tweede of derde meetwaarden. HART is ‘scalable’ en is in uw installatie te integreren daar waar nodig en praktisch. Een volledige omschakeling van 4-20 mA naar ‘alles’ digitaal is niet nodig. Het is echter wel zo dat om alle ‘features’ van HART te kunnen benutten, er ergens in de 4-20 mA bedrading de scheiding moet worden aangebracht tussen analoog en digitaal. Dit gebeurt meestal daar waar de bedrading uit het veld samenkomt, dus meestal uw rangeer of marshalling kast middels termination panels dan wel convertors.

WirelessHART lost voor een groot gedeelte de eventuele bedradingsproblemen op. Zoals de naam al zegt, gaat het hier om een draadloze verbinding die het HART signaal transporteert. Een traditionele 4-20 mA transmitter zonder de mogelijkheid van HART kan worden uitgerust met een antenne die rechtstreeks of via andere WirelessHART gebruikers in het netwerk, verbinding maakt met de WirelessHART ‘gateway’ die geplaatst is in de nabijheid van uw controlesysteem.

Als WirelessHART wordt toegepast in nieuwe of bestaande installaties kan de traditionele bedrading voor de meeste meetprincipes geheel vervallen. Battery packs in de transmitter zorgen voor de nodige energie en hebben, al naar gelang de soort meting en update interval, een levensduur van gemiddeld een tot vijf jaar.

De behoefte aan standaardisering van het communicatieprotocol, zodat uitwisselbaarheid van meet en regelapparatuur en controlesystemen mogelijk is, is vanaf het begin aan de leidraad geweest bij het ontwikkelen van HART en veldbussystemen. Na een aanvankelijk moeilijke start is dit probleem vrijwel opgelost. Wel is het zo dat sommige fabrikanten zich willen onderscheiden van de concurrent door, naast het doorgeven van de reguliere meetsignalen en datgene vastgelegd in de desbetreffende normen, meer ‘features’ in te bouwen, die echter op apparatuur van een ander merk niet of moeilijk zijn uit te lezen.

Het grote verschil tussen remote I/O en veldbussystemen, is dat het doel van veldbussystemen een open communicatieprotocol nastreeft. De meeste leveranciers van veldapparatuur bieden zelfs de mogelijkheid om eenvoudig van Foundation Fieldbus om te schakelen naar Profibus en vice versa. Bij remote I/O gaat het vaak om een systeem eigen protocol of proprietary bus.

Bij veldbussystemen (zoals bij elk LAN) geldt een maximale kabellengte en een limitatie aan het aantal gekoppelde devices op een kabel, vanwege de maximaal toegestane power consumptie (of beter gezegd maximale energie en stroom per kabel). Ook de maximale cyclussnelheid (datascan tijd) is gelimiteerd en wordt onder andere beïnvloed door de lengte van de kabel. Vuistregel is over het algemeen dat de totale kabellengte is gelimiteerd tot 1200 meter. Dit kan echter van geval tot geval verschillen. Ook de samenstelling en afscherming van de kabel is vaak in detail gespecificeerd door de leverancier van de veldbusapparatuur. Stelt u zich hiervan dus goed op de hoogte, en betrek de leverancier bij ontwerp en implementatie.

De ruimte ontbreekt om in dit hoofdstuk alle mogelijkheden van de diverse fabrikanten en informatie van overkoepelende organisaties te beschrijven, zoals die van de Fieldbus Foundation, Pi voor ProfibusI/O link en HART Communication Foundation. Hiervoor biedt uiteraard uw leverancier of het internet uitkomst. Hier kunt u uitgebreide informatie vinden over ‘interoperability’, list of approved manufacturers/vendors, protocolbeschrijvingen et cetera. Ook de diverse normen en standaarden zoals van de Namur, ISA, ISO, IEC et cetera zijn eenvoudig te vinden op ons onvolprezen Wide Area Network (WAN), het internet.

Veldbus ervaringen en merkwaardigheden

Regelmatig blijkt dat cyber security voor proces control systemen, geen loze kreet is. Lieden met blijkbaar ‘andere’ bedoelingen ontwikkelen bijvoorbeeld een ‘worm’ die zich onzichtbaar nestelt op een computer en op zoek gaat naar software die bijvoorbeeld, een PLC of DCS van een bepaald type en merk aanstuurt. De worm nestelt zich vervolgens in de controller van dit besturingsysteem. Wellicht is het de bedoeling van deze lieden om de controle over een bepaalde fabriek, uitgerust met het desbetreffende PLC of DCS systeem op afstand over te nemen of op zijn minst te ontregelen. Er is niet veel fantasie voor nodig om te bedenken wat er dan kan gebeuren.

Het binnendringen van zo’n worm gaat waarschijnlijk via de bekende weg, zoals internet, memory USB sticks, laptops en cd’s. Zowel WirelessHART als de meeste PLC en DCS systemen bieden mogelijkheden voor een uitgebreide beveiliging tegen cyber attacks, zoals encryptie, verificatie, authenticiteit controles en key management.

Bij de keuze voor veldbussystemen, remote I/O, HART et cetera moet u dus terdege rekening houden met de potentiële ‘openingen’, in deze digitale veldapparatuur en extra beveiligingen opnemen in uw, naar ik hoop, reeds bestaande cyber security plan.

Lees hier het laatste nieuws over veldbussen en remote I/O

Veldbussen worden ook steeds vaker aangeboden en ingezet voor toepassing in Beveiligingssystemen die moeten voldoen aan een bepaald SIL niveau. Het is geen uitzondering meer dat met een veldbussysteem zelfs een SIL-3 niveau haalbaar is. Hoewel de diverse apparatuur en netwerkverbindingen ieder voor zich ongetwijfeld zullen voldoen aan de gestelde SIL eis, is het toch verstandig, en bij uw toepassing wellicht zelfs vereist, om het gehele ontwerp van ‘pipe to pipe’ voor te leggen aan een keuringsinstantie dat vervolgens, gebaseerd op faalkansberekeningen, al dan niet bevestigt dat een en ander voldoet aan de verwachte functionaliteit en het vereiste SIL niveau. Belangrijke parameter bij een SIL faalkansberekening is dat het gehele ontwerp ‘Fail-safe’ moet zijn. Met andere woorden, als bijvoorbeeld het besturingsof controlesignaal uitvalt, dient uw installatie vanzelf in de veilige modus terecht te komen.

Kennis en opleiding van engineers, uw technicians en systeembeheerders moeten gelijke tred houden met de ontwikkelingen binnen uw bedrijf, zeker waar het gaat om veldbussen, HART en remote I/O. Betrokkenheid en motivatie is hier de ‘toverformule’, maar bedenk goed dat voor implementatie en dagelijks gebruik van bijvoorbeeld een veldbussysteem, heel andere vaardigheden nodig zijn dan bij traditionele instrumentatie. Het kalibreren middels een handheld terminal of communicator zal nog wel lukken, maar de interpretatie en routing van alle diagnostieke signalen vereist opleiding, motivatie en ervaring. Ook een IT’er (vanuit de kantoorautomatisering) inzetten om de ‘veldbus’ te bedienen en te servicen en te configureren, biedt vaak niet de oplossing. Een adequate opleiding en organisatie is dus een must.

Waar gebruik wordt gemaakt van ‘battery packs’ om het instrument te voorzien van de nodige energie, zoals bij draadloze verbindingen, moet u bedenken dat hoe vaker een update van de meetwaarde wordt verstuurd, hoe groter het energieverbruik. Hierdoor kan de levensduur van de batterij variëren van een tot wel vijf jaar.

Bij veldbussystemen kunnen grote besparingen worden gerealiseerd in onder andere de bedrading. Denk hierbij niet alleen aan kabels, junction boxen, marshalling, maar zeker ook aan kabelbanen en dergelijke. Uit ervaring is gebleken dat het kantelpunt bij ongeveer zes instrumenten ligt. Dus wanneer u zes instrumenten op een digitale kabel kunt aansluiten, in plaats van op zes aparte kabels of multicord, begint meestal het economisch voordeel zichtbaar te worden. Ook in het papierwerk, zoals instrument loopdiagrams, kunnen besparingen tot wel tachtig procent worden behaald. Maak bij ontwerp en keuze wel onderscheid tussen Process Control (PCS) Emergency Shutdown (ESD) en Fire & Gas (F&G) detectiesystemen.

Explosieveiligheid kan ook een rol spelen. Ook de digitale kabel is stroomvoerend. Stel u goed op de hoogte of een en ander hieraan voldoet.

Lees hier het laatste nieuws over veldbussen en remote I/O

Trends en ontwikkelingen veldbussen

De remote I/O en veldbussystemen zijn inmiddels grotendeels uitontwikkeld en bijzonder betrouwbaar gebleken. Grote ontwikkelingen zijn niet meer te verwachten. De ontwikkelingen op het gebied van draadloze communicatie, zoals WirelessHART, zijn echter veelbelovend en maken datatransmissie economisch haalbaar, niet alleen naar locaties die voorheen te kostbaar waren, maar deze ontwikkelingen vergroten ook de kans dat de traditionele bekabeling voor een groot gedeelte te vervangen zal zijn. Aanvankelijke problemen met energievoorziening voor de veldapparatuur zijn vrijwel opgelost door de perfectionering van de noodzakelijke battery packs.

Wellicht dat de ‘oude garde’ wat terughoudend zal zijn in het toepassen van draadloze verbindingen, maar tegelijk moeten we beseffen dat de ‘jongere garde’ is opgegroeid met draadloze apparatuur, zoals de mobiele telefoon, WiFi, Bluetooth en navigatieapparatuur en dientengevolge wellicht veel minder terughoudend zal zijn in het toepassen.

Lees ook:

close

Digitale Nieuwsbrief

SCHRIJF JE IN VOOR ONZE WEKELIJKSE NIEUWSBRIEF EN BLIJF OP DE HOOGTE VAN ALLE INDUSTRIËLE EN TECHNISCHE ONTWIKKELINGEN!

Door jouw inschrijving voor de nieuwsbrief, ga je akkoord met onze privacy voorwaarden.