UNIVERSITATEA PETROL – GAZE DIN PLOIEŞTIFACULTATEA INGINERIE MECANICĂ ŞI ELECTRICĂ

SPECIALIZAREA AUTOMATIZĂRI AVANSATE

PROIECT LA DISCIPLINA

“COMUNICATII MOBILE”

Integrarea echipamentelor wireless in

sistemul de control distribuit Centum VP

Student: Cocanu Ana-Maria

Anul II, Grupa 11101

-2014-

IntroducereIn ultimii ani, asteptarile pentru mai bun control al sistemelor folosind comunicatii

wireless au cunoscut o crestere ascendenta. Acest fapt se datoreaza lipsei necesitatii cablurilor de comunicare pentru echipamentele din camp apartinand acestor tipuri de sisteme, reducand astfel costurile initiale, dar si de mentenanta, oferind, de asemenea, si o instalare facila.

Pentru a raspunde acestor asteptari, Yokogawa a dezvoltat sistemul pentru control distribuit Centum VP R5.02 si serverul OPC R2.0 (OPC: legarea si incorporarea obiectelor (OLE – Object Linking and Embedding) pentru controlul proceselor) cu scopul integrarii dispozitivelor de camp wireless care sunt conforme cu standardul ISA 100.11a, standard propus de Societatea Internationala pentru Automatizare (ISA - International Society of Automation) pentru a fi folosit in industria automatizarilor pentru comunicatii wireless. Centum VP are functii pentru monitorizarea starii dispozitivelor wireless din camp si pentru trecerea din modul manual in automat fara schimbari abrupte care ar putea afecta procesul, reusind sa realizeze controlul wireless al procesului, control care in mod conventional era indeplinit doar prin intermediul sistemelor de control cu fir care folosesc semnale 4-20 mA. De asemenea, fiabilitatea controlului procesului poate fi imbunatatita cu ajutorul configurarilor redundante.

Lucrarea de fata prezinta functiile si caracteristicile interfetei de comunicare wireless pentru o noua categorie de produse de camp, concentrandu-se pe sistemul Centum VP.

Configurarea sistemuluiPrezentare elementelor folosite pentru configurarea sistemului wireless din figura 1:

YFGW410 – statie de management wireless pentru campOfera o functie de interconectare cu sistemul gazda si o functie de control a sistemului

pentru configurarea si administrarea retelelor wireless din camp, conectandu-se cu echipamentele wireless din teren prin intermediul YFGW510.

YFGW510 – punct de acces wireless pentru campAre rolul de a conecta YFGW410 cu dispozitivele wireless din camp. YFGW710 – conector wireless pentru camp Dispozitivul ofera atat o functie de conectare, cat si functii de management al sistemului,

si se poate conecta direct la echipamentele wireless din teren. Dispozitiv wireless pentru campAcest tip de echipament este conform cu standardul ISA100.11a. Calculator pentru camp pentru management wireless Acesta construieste si gestioneaza intreaga retea wireless. FCS (Field Control Station)/HIS (Human Interface Station)/ENG (Engineer Station)Prin intermediul acestora, sistemul Centum VP va realiza controlul si monitorizarea

procesului. ALE111 – modul de comunicatie EthernetAcest modul comunica cu YFGW410 sau cu YFGW710 prin intermediul functiei de

comunicare, functie care poate obtine si stabili date de la/in echipamentele wireless din teren prin intermediul celor doua dispositive YFGW mentionate.

1

Server OPC wireless pentru campServerul primeste si seteaza date aferente echipamentelor din camp cu ajutorul

YFGW410 sau YFGW710 in conformitate cu cerintele clientului. Client OPC cu scop generalAcesta trimite cereri catre serverul wireless OPC pentru citirea sau scrierea datelor

corespunzatoare dispozitivelor wireless din teren. PRM (Plant Resource Manager) – managerul resurselor fabriciiEste un pachet software integrat pentru management care monitorizeaza si

diagnosticheaza online echipamentele fara fir din camp.

Figura 1. Configurarea sistemului

Yokogawa a dezvoltat functia de comunicare YFGW care permite comunicare intre Centrum VP si unul din cele doua dispositive, YFGW410 or YFGW710, si intre serverul wireless OPC din camp. Aceasta lucrarea prezinta functiile si caracteristicile interfetelor de comunicare respective, cu accentul pus pe conectarea cu dispozitivul YFGW410.

2

Functiile pentru controlul proceselor in Centum VPPrincipiile de baza ale functiei de comunicare YFGWFunctia de comunicare YFGW prezinta urmatoarele caracteristici principale: comunica

cu dispozitivul YFGW410, citeste si scrie date aferente echipamentelor wireless din teren utilizand protocolul de comunicatie Modbus/TCP prin intermediul YFGW410, si detecteaza anomalii in dispozitivele wireless din camp, trimitand alarme corespunzatoare statiilor HIS. Acestea din urma afiseaza alarmele pe ecranele de operare si monitorizare. In tabelul 1 se pot gasi speificatiile de baza ale functiei de comunicare YFGW. In ceea ce priveste actualizarea datelor, aceasta functie de comunicare poate citi date de la 128 de dispozitive din teren, care sunt trimise apoi catre statii HIS in termen de o secunda.

SpecificatiiDispozitiv de conectat YFGW410 sau YFGW710Numarul maxim de dispozitive conectate 4 dispozitive la fiecare modul ALE111Numarul maxim de echipamente wireless din camp conectate

128 echipamente la fiecare modul ALE111

Capacitate date transmise per operatieCitire: pana la 125 cuvinteScriere: pana la 123 cuvinte*

Rata de actualizare a datelor 1 secunda (pentru 128 echipamente)*Configurare redundanta Retea redundanta*

Tabel 1. Specificatii de baza ale functiei de comunicare YFGW* numai in cazul in care un dipozitiv YFGW410 este conectat

In cazul in care are loc o conexiune la un dispozitiv YFGW410, functia de comunicare YFGW ofera o functie echivalenta cu cea specifica comunicarii analogice traditionale. In cazul celei din urma, fiecare port de intrare/iesire analogica al unui modul este conctat la un instrument din camp si datele sunt citite/scrise in instrumentul respectiv. Pe de alta parte, dispozitivele wireless din teren sunt gestionate de catre YFGW410 pe baza etichetei fiecarui dispozitiv, iar paramentrii sunt asignati unui registru din YFGW410. Astfel, functia de comunicare YFGW poate citi si scrie date in echipamentele fara fir din camp prin simpla specificare a numarului de registru corespunzator. In ciuda faptului ca modulul ALE111 foloseste o conexiune fizica unu-la-mai-multi cu dispozitivele wireless, functia YFGW poate oferi prin intermediul YFGW410 o conexiune unu-la-unu.

Functia pentru monitorizarea dispozitivelor wireless din campIn Centum VP, functia de comunicare YFGW foloseste, pentru a monitoriza starea

echipamentelor fara fir din teren, datele aferente starii asociate paramentrilor echipamentelor respective. Datele aferentii starii sunt in conformitate cu standardul ISA 100.11a si indica atat calitatea datelor primite de la dispozitivele wireless din camp, cat si calitatea comunicatiei wireless. Tabelul 2 incapsuleaza clasificarea datelor specifice starii.

3

Clasificare date Calitate date Mesaj afisat pe statia HISNegative Negativa Alarma de deviere

Incerte* IncertaAlarma de deviere sau mesaj care indica revenirea la normal si starea

Bune NormalaMesaj care indica revenirea la normal si starea

Bune-Cas** NormalaMesaj care indica revenirea la normal si starea

Tabel 2. Clasificare datelor aferente starii*Functia de comunicare proceseaza stearea ca fiind fie buna, fie negativa/”rea”**O noua stare definita de catre Institutul de Conformitare Wireless (WCI - Wireless

Compliance Institute), o institutie care promoveaza standardul ISA 100.10a.

Functia de comunicare YFGW citeste atat starea, cat si datele propriu-zise de la dispozitivele wireless din teren. Atunci cand starea indicata este „negativa”, un indicator de anomalie/deviere va fi trimis statiei HIS, aceasta afisand un mesaj de alarma corespunzator. In cazul in care starea indicata este „buna”, date normale vor fi trimise catre statia HIS. Daca s-a ajuns in aceasta stare dintr-o stare negativa, se vor afisa datele si un mesaj ce va indica trecerea in starea normala. Aceasta procedura permite operatorilor sa monitorizeze starile echipamentelor din camp si calitatea datelor, dar si sa identifice facil comportamente anormale care in mod normal ar fi dificil de verificat vizual, cum ar fi erori la configurare.

Functia YFGW poate, de asemenea, citi starile dispozitivelor YFGW410 si YFGW510, acestea fiind memorate independent de catre YFGW410, timpul de viata ramas al bateriilor echipamentelor fara fir din camp, informatiile privind auto-diagnosticul fiecarui dispozitiv, pentru a le transmite apoi statiilor HIS. Aceasta proprietate este importanta pentru mentenanta corespunzatoare a echipamentelor wireless, fiind, de exemplu, utila pentru semnalizarea necesitatii de inlocuire a bateriilor.

Trecerea din modul manual in automat fara schimbari abrupte ale iesirii Paramentrii de iesire ai dispozitivelor fara fir din camp cu functii de iesire sunt mapati la

registrii YFGW410. Functia de comunicare YFGW poate scrie rezultatele calculelor efectuate in FCS in registrii corespunzatori din YFGW410, pentru a fi apoi transmise catre echipamentele din teren. Acest lucru permite operatorilor sa opereze direct dispozitive wireless aflate in camp prin intermediul Centum VP. Asa cum a fost mentionat anterior, operatorii pot, de asemenea, sa monitorizeze starea si valorile de iesire ale intrumentelor fara fir din teren deoarece functia de comunicare YFGW poate citi datele despre stare aferente dispozitivelor din camp, care sunt apoi trasmise catre statii HIS. Cu toate acestea, atunci cand Centum VP opereaza dispozitive wireless, valorile de iesire aferente acestora nu ar trebui sa se modifice brusc ca in cazul sistemelor cu fir, astfel ca functia YFGW opreste si reia in mod corespunzator echipamentele pentru a asigura o repornire fara schimbari bruste ale iesirii.

Atunci cand functia de comunicare YFGW inceteaza scrirea in registri, transmiterea iesirii catre dispozitivele wireless din camp este intrerupta. Chiar daca una dintre urmatoarele

4

erori apare in sistem, functia YFGW poate mentine in siguranta functionarea fabricii prin oprirea scrierii in registrii si prin controlul dispozitivelor fara fir intr-o stare de siguranta:

- Comportament anormal al FCS- Comunicare wireless anormala cu dispozitivele din terenIn cazul in care o statie FCS se opreste in conditii anormale, Centum VP nu va mai

detine controlul fabricii, iar functia de comunicare YFGW va inceta scrierea in registrii. Scrierea in registrii este intrerupta si in eventualitatea in care este detectata o anomalie in comunicare wireless.

Cand o statie FCS prezinta comporament normal, functia de comunica YFGW incepe sau reporneste scrierea in registrii numai daca primeste informatii despre functionarea corecta a dispozitivelor fara fir din camp.

Prin intermediul monitorizarii starii dispozitivelor wireless din camp si prin operatia de trecere din modul manual in autmonat fara schimbari bruste ale iesirii utilizand informatii despre starea dipozitivelor, functia de comunicare YFGW poate asigura un control sigur si facil a procesului in sistemele wireless.

Imbunatatirea fiabilitatii prin configurare redundantaPrin realizarea unei configurari redundante a modulului ALE111 si a statiei YFGW410,

cum este astfel prezentat in figura 2, sistemul asigura un control robust al procesului.

Figura 2. Configurarea redundanta a ALE111 si YFGW410

5

Configurarea redundanta a modulului ALE111In cazul in care apare o eroare pe modulul ALE111, pe HUB sau pe traseul dintre

ALE111 si HUB, comunicatia Modbus/TCP dintre cele doua dispozitive este intrerupta si functia de comunicare YFGW nu mai poate citi sau scrie date aferente echipamentelor wireless din teren. In situatia in care a fost realizata o configurare redundanta, modulul ALE111 aflat in stand-by (repaus) preia controlul imediat in cazul aparitiei unei erori a modulului ALE111 aflat in control la momentul respectiv sau a HUB-ului. Astfel, functia YFGW poate citi si scrie date continuu dispozitivelor fara fir din camp prin intermediului modulului ALE111 anterior aflat in stand-by si HUB-ului.

Configurarea redundanta a statiei YFGW410In cazul in care apare o eroare pe statia YFGW410, comunicatia intre aceasta si

dispozitivele wireless din teren este intrerupta si functia de comunicare YFGW nu mai poate citi sau scrie date aferente echipamentelor wireless din teren. In situatia in care a fost realizata o configurare redundanta, statia YFGW410 aflata in stand-by (repaus) preia controlul imediat de la YFGW410 aflat in control la momentul respectiv in cazul aparitiei erorii descrise mai sus. Astfel, functia YFGW poate citi si scrie date continuu dispozitivelor fara fir din camp prin intermediului YFGW410 anterior aflat in stand-by deoarece a fost stabilita o conexiune intre acesta si echipamentele wireless din teren.

In momentul in care un modul ALE111 redundant sau o statie YFGW410 redundanta preia controlul sau atunci cand apare o eroare privitoare la ALE111 sau YFGW410 aflate in stand-by, functia de comunicare YFGW trimite un mesaj de notificare catre HIS. Astfel, operatorul va putea vedea pe ecranele de monitorizare in cazul in care una dintre situatiile de mai sus are loc.

Server wireless pentru camp OPC pentru accesarea parametrilor dispozitiv

Atunci cand se utilizeaza un server wireless OPC, clientii sai OPC pot monitoriza operatiile efectuate de echipamentele fara fir din teren si pot, de asemenea, evalua functiile si proprietatile acestora prin accesarea parametrilor dispozitiv. Acest fapt promoveaza introducerea dispozitivelor fara fir in fabrici.

Prezentarea functiilor serverului wireless OPC pentru campServerul pentru camp wireless OPC, care este conectat la serverul client OPC cu scop

general, primeste cereri de la clienti OPC pentru a scrie sau a pentru a citi date in/de la echipamentele wireless din teren, operatii pe care le efectueaza prin intermediul statiei YFGW410.

Printre caracteristicile serverului OPC se regaseste abilitatea de a obtine si de a seta parametrii dispozitiv aferenti echipamentelor fara fir din camp. Serverul obtine informatii despre dispozitivele wireless din asa-numitele fisiere de capabilitati (CF) care descriu capacitatile echipamentelor wireless din teren. De asemenea, serverul OPC extrage informatii despre parametrii din fisierele de descriere a dispozitivului (DD). Aceste din urma fisiere, create de Yokogawa, au un format comun pentru instrumente si contin parametrii definiti de

6

standardul ISA 100.11a si de catre WCI. Serverul wireless mentionat poate citi si scrie parametrii care sunt listati in fisierele de mai sus.

In figura 3 este schitata configuratia conexiunii unui server wireless OPC.

Figura 3. Configuratia legaturilor unui server wireless OPC

Functia de operare si monitorizare a parametrilor dispozitiv care sunt descrisi in fisierul DD

Serverul de camp wireless OPC reuseste o trasmisie de mare viteza a datelor catre clientii OPC si ofera date solide astfel ca acesta poate scrie si citi in mod corect cantitate mare de informatii, inclusiv paramentrii dispozitiv apartinand echipamentelor wireless din camp.

Accelerarea transmisiei de date catre clientii OPCServerul wireless OPC inmagazineaza informatiile citite intr-o memorie cache interna.

Serverul trimite aceste infomatii catre clientii OPC numai cand datele nou obtinute sunt diferite de cele aflate in memorie, reducand astfel traficul de comunicare intre serverul OPC si clientii OPC.

7

Imbunatatirea fiabilitatii raspunsurilor la cereri facute de catre clientii OPCServerul de camp wireless OPC compara valabilitatea raspunsurilor de la YFGW410 cu

cererile primite de la clientii OPC. Analizeaza astfel raspunsurile si apoi trimite informatii cu privire la orice anomalii gasite catre clentii OPC.

ConcluziePe masura ce tehnologiile de comunicatie wireless continua sa se imbunatateasca, are loc

si o dezvoltare si o perfectionare a sistemelor de control pentru comunicatia wireless, un exemplu putand fi controlul procesului in timp real pentru sistemele wireless de teren la scara larga. Lucrarea de fata a prezentat functia de comunicare YFGW si serverul de camp wireless OPC, acestea contribuind la dezvoltarea si imbunatatirea sistemelor de control pentru comunicatii wireless in viziunea Yokogawa.

Compania de origine japoneza continua sa extinda dezvoltarea produselor pentru sisteme fara fir, mentinandu-si implicarea in comitetul ISA 100.11a si in activitatile WCI cu scopul facilitatii dezvoltarii, dar si incurajarii utilizarii pe scara larga a sistemelor wireless.

8