Trends in procesautomatisering I/O-systemen

Eerst enkele definities:

NOA – Namur Open Architecture – uitgevonden door de User Association of Automation Technology (NAMUR) dit is een manier om aanvullende waarden en assetmanagementgegevens (soms stranded data genoemd) van een instrument te krijgen door een tweede parallel standaardcommunicatiekanaal te installeren dat draadloos kan zijn, Bluetooth, 4G/5G enz. en heeft geen invloed op de bestaande primaire automatiseringssysteemverbinding voor de gemeten waarde.

Ethernet – APL™ – Ethernet Advanced Physical Layer – is gemaakt door een handelsorganisatie van fabrikanten van apparatuur, waaronder OPC, en zal Ethernet leveren aan het veld, aan individuele instrumenten en sensoren. Het is nog in ontwikkeling en zal lange kabellengtes en explosiebeveiliging mogelijk maken via intrinsieke veiligheid met communicatie en voeding over twee draden.

OPC UA – Open Platform Communications Unified Architecture – is een machine-naar-machine communicatieprotocol voor industriële automatisering, ontwikkeld door de OPC Foundation, een groep van apparatuurfabrikanten.

MTP – Moduletypepakketten – is een zich ontwikkelende gestandaardiseerde methodologie, opnieuw van NAMUR, die een gemeenschappelijke taal biedt voor het beschrijven van de eigenschappen van procesmodules, onafhankelijk van fabrikant en technologie. Dit maakt het voor elk automatiseringssysteem op een hoger niveau mogelijk om MTP te gebruiken om een ​​specifieke module/pakket nauwkeurig te besturen.

Procesautomatisering I/O-systeemmarktomvang

De totale marktomvang voor proces-I/O-systemen wordt geschat op iets meer dan $ 3 miljard, een groei van ongeveer 3,7% CAGR. Siemens heeft ongeveer 14% van deze sector met ABB op 10%, Honeywell 9% en Rockwell 8%.

Algemene trends in I/O-systemen voor procesautomatisering

• Decentralisatie – gedistribueerde installatie van externe I/O-stations in het veld in plaats van centraal in de hoofdcontrolekamer

=> vermindering van de bekabeling van de installatie

• Weigering in fabrieksveldbussen
• Bekabeling van de veldsensoren rechtstreeks naar I/O-klemmenborden

=> eliminatie van dwarsbedradingkasten

• Grotere flexibiliteit met Universal I/O oftewel Late Binding I/O oftewel e-Marshalling oftewel Configurable I/O

=> ontkoppel automatiseringshardware en -software, kortere systeemleveringen (time-to-market) en eerdere veldbedrading

• Verhoogde implementatie van "intelligente" sensoren met hogere dataset

=> geavanceerde besturingsoptimalisatie, diagnose op afstand en gegevens over activabeheer

• De opkomst van op Ethernet gebaseerde communicatie in het veld

=> bijv. PROFINET en Ethernet – APL™

Een LinkedIn-stro-enquête van de automatiseringsgemeenschap leverde de volgende resultaten op:

Het is geen verrassing dat "Remote I/O stations in Field" gemakkelijk won in alle 3 groepen, maar wat interessant is, is dat "Type of Universal I/O" op de laatste plaats werd geslagen in de Instrument Engineers en ISA groepen die als meer worden beschouwd procesautomatisering bevooroordeeld dan de op fabrieksautomatisering gerichte automatiseringsgroep. "Plant Fieldbus" deed het ook beter dan verwacht en behaalde de tweede plaats in alle groepen.

Afname in fabrieksveldbussen

Er is al jaren een historische trend naar decentralisatie in het veld in plaats van terug naar de hoofdcontrolekamer. Het meest extreme voorbeeld hiervan was het gebruik van plantveldbussen om te besparen op plantbekabeling. Paradoxaal genoeg is het aantal veldbussen in fabrieken afgenomen, terwijl de trend om afgelegen I/O-stations te gebruiken, zelfs in gevaarlijke gebieden, zich heeft voortgezet.

Er was een tijd dat veldbussen een rage waren, vooral in de olie &gas- en petrochemische sector. Dit is veranderd!! Anekdotisch legde een grote oliemaatschappij uit dat 20 jaar geleden een ingenieur moest rechtvaardigen waarom ze Foundation Fieldbus (FF) niet gebruikten voor een nieuw project, 10 jaar geleden veranderde dit in geen voorkeur tot nu toe moet de ingenieur rechtvaardigen waarom ze FF moeten gebruiken in plaats van een conventionele 4-20mA HART-oplossing.

Een van de belangrijkste waargenomen voordelen van veldbus was kostenbesparing en vereenvoudiging van de bekabeling van fabrieken - deze besparing is sterk verminderd voor implementaties in explosiegevaarlijke omgevingen en samen met het niveau van technische competentie dat vereist is om veldbussystemen te ontwerpen, installeren en onderhouden, heeft dit geleid tot een enorme daling van de voorkeur . FF-installaties hadden naar verluidt tal van aardings- en aardingsproblemen. Veel van de voordelen van veldbussen voor diagnose op afstand en activabeheer worden hoe dan ook gerealiseerd met conventionele HART-signalen van meer dan 4-20 mA, en inderdaad, het tweede parallelle kanaal dat door NOA wordt voorgesteld, biedt dit zonder de verbinding met het hoofdautomatiseringssysteem te beïnvloeden

Draadloos, dat nog meer voordelen biedt voor fabrieksbekabeling, groeit in populariteit en neemt een deel van het FF-marktaandeel in, maar voornamelijk voor indicatieve, lage scansnelheid, niet-controlemetingen. Bij draadloos moet echter niet alleen rekening worden gehouden met transmissieroutes, maar ook met het feit dat als de zender niet zelfvoorzienend is en er toch stroomkabels voor nodig zijn, dit echt een besparing is?

Waarom heeft PROFIBUS het beter gedaan als veldbus?

PROFIBUS heeft het beter gedaan, deels omdat het is gevestigd in industriële sectoren buiten olie en gas, de standaard voor elektrische systemen is geworden voor MCC's en VSD's om te communiceren en door veel leveranciers wordt gebruikt als hun I/O-bus. PROFIBUS evolueert ook naar PROFINET, een superdeterministisch protocol met ethernetsnelheden, media en componenten. PROFINET is met name geschikt voor externe I/O-communicatie zoals gebruikt door Siemens.

Waarom de waargenomen populariteit van universele I/O?

Nogmaals, dit is contra-intuïtief tegen de trend van decentralisatie, terug naar universele I/O in de hoofdcontrolekamer. Maar dit gebeurt zeker, gedreven door de DCS-fabrikanten met de overvloed aan universele en configureerbare I/O-systemen die de afgelopen jaren zijn uitgebracht. Maar misschien blijkt uit eerdere peilingen dat dit niet zo populair is bij de automatiseringstechnici van eindgebruikers als de DCS-bedrijven ons willen doen geloven.

Universele I/O kent vele vormen, sommige met 16 of 32 kanaals I/O-modules die per signaal kunnen worden geconfigureerd, andere waarbij de benodigde module per kanaal wordt geselecteerd. De voordelen zijn kortere levertijden van automatiseringssystemen, vroege installatie van veldbedrading; en het afhandelen van I/O-wijzigingen zeer laat in de levenscyclus van het project.

Maar er zijn veel soorten I/O nodig – gevoed en niet-aangedreven, 2- en 4-draads, simplex en redundant, veilig en explosiegevaarlijk gebied, niet-SIL en SIL, steeds meer beveiliging tegen kortsluiting en open circuit, galvanische isolatie enz. – niet allemaal universele I/O-systemen kunnen dit allemaal nog aan.

Als een oplossing bijvoorbeeld aparte intrinsieke veiligheidsbarrières vereist, gaat dit eerder voorbij aan het object. Universele barrières zijn nu beschikbaar, maar natuurlijk duurder dan een I/O-kaart met geïntegreerde barrières. Bovendien bieden veel universele I/O-systemen geen echte I/O-redundantie.

Het is een mythe dat universele I/O ruimte bespaart door het elimineren van rangeer- en kruisbedradingskasten - dit is meer een product van de trend om veldbekabeling direct op de I/O-kaart te beëindigen (of beter gezegd naar een vaste eindeenheid zodat de I/O-kaart kan eenvoudig worden verwijderd). Universele I/O is inderdaad aanzienlijk minder dicht dan vaste I/O in het bereik van 55 – 140 I/O per m vergeleken met 400 – 500 I/O per m, dus heeft veel meer ruimte nodig dan vaste I/O.

Is universele I/O kosteneffectiever?

Een speciale vaste I/O-module met hoge dichtheid is toch kosteneffectiever dan een universele oplossing waarbij elk I/O-type moet worden ingebouwd of per kanaal moet worden geselecteerd? Voeg daarbij de kostenbesparing voor fabrieksbekabeling wanneer speciale I/O op afstand dicht bij de proceseenheid wordt gebruikt en de kleinere voetafdruk - dit moet een winnaar zijn!!

Natuurlijk is een systeem dat dedicated I/O met hoge dichtheid combineert met de late binding-mogelijkheden van universele I/O ook een sterk argument. Dit kan worden bereikt wanneer meerkanaalsmodules op het laatste moment worden aangesloten op een generieke backplane zonder de reeds afgesloten installatiebekabeling te beïnvloeden.

De Siemens ET200SP HA I/O kan bijvoorbeeld tot 896 signalen verwerken in één standaardkast en de units zijn modulair, zodat de vereiste I/O en het terminatietype indien nodig kunnen worden aangesloten op een universele backplane. Voeg hieraan toe met behulp van de configureerbare kaart (16 signalen selecteerbare AI/DI/DO per kanaal) voor de laatste 10% in geval van wijzigingen is misschien het ultieme wondermiddel voor late binding, kosteneffectiviteit en ruimte.

Voorbeeld directe verbindingskast 56 I/O-modules, tot 896 I/O 800 x 2000 mm (breedte x hoogte)

Kenmerken:

• Eenzijdige toegang, 400 mm diep
• Omgevingstemperatuur kast -20..+40°C
• 120/230V AC redundante voeding
• directe aansluiting tot 2,5 mm²
• PROFINET-communicatie via koper- of glasvezelkabel
• Tot 56 veldkabels (20 mm diameter)

1 - Invoer MCB en RCB 
 2 - AC/DC SITOP PSU 8200 40A (Siemens, 6EP3334-8SB00-0AY0) 
 3 - Redundantiemodule SITOP PSE202U (Siemens, 6EP1961-3BA21) 
 4 - Stroomverdeling en patroonfusing 
 5 - toevoegen. HW, bijv. SCHAAL XC206-2-SFP (Siemens, 6GK5 206-2Bs00-2AC2) 
 6 - T 200SP HA met interfacemodule en busadapter 
 7 - Reservedraad en M (aarde) klemmen 
 8 - Profiel voor kabelbevestiging en afscherming 
 9 - kabelgoot

Engineering Contractors (EPC's) geven de voorkeur aan Late Binding I/O!

EPC's geven de voorkeur aan late binding omdat ze de I/O pas heel laat in de projectlevenscyclus kunnen specificeren. Het is al lang bekend dat de instrumentatie wordt voltooid nadat het ontwerp van de leidingen, de mechanische onderdelen en het proces zijn voltooid, en dat elke wijziging daarna uiteindelijk doordringt in het automatiseringssysteem.

Universele I/O is natuurlijk niet het hele verhaal, de DCS moet zo geconfigureerd kunnen worden dat de software I/O-punten op een generieke manier adresseert en niet specifiek rack-module-channel. Hierdoor kan de applicatiesoftware worden losgekoppeld van de hardware-build en vroeg in het project worden ontwikkeld voordat de I/O definitief wordt gedefinieerd.

Ethernet in het veld

De trend naar slimmere instrumenten/sensoren heeft geleid tot het initiatief van Ethernet in het veld - eerst als de I/O-bus naar externe I/O-stations in het veld - oorspronkelijk PROFIBUS DP en nu wordt PROFINET hier veel voor gebruikt. Dan uiteindelijk naar Ethernet rechtstreeks naar het individuele instrument/sensoren. Deze trend zal het argument voor Universal I/O zeker verzwakken.

Een werkelijk universele plug-and-produc-oplossing

Een voorbeeld van een echt universele plug-and-produc-oplossing is de Siemens Compact Field Unit (CFU) die gebruik maakt van PROFINET (binnenkort Ethernet – APL™-versies) om de unit op afstand dicht bij het proces te distribueren, waarna tot 8 PROFIBUS PA-instrumenten kunnen worden aangesloten en automatisch herkend op elke poort. Dit zorgt voor flexibiliteit, vereenvoudiging en enorme besparingen in fabrieksbekabeling en aansluitdozen enz. Deze unit past goed bij Ethernet in de veldtrend en zou een renaissance voor Profibus PA-instrumenten kunnen betekenen.

Van instrumenten tot pakketten tot MTP

De trend naar slimmere instrumenten zou kunnen worden gezien als instrumenten die op zich dichter bij pakketten of modules komen te staan. NOA en MTP, beide ontwikkeld door NAMUR, zijn inderdaad complementaire oplossingen. MTP belangrijker voor groene veldinstallaties, terwijl NOA goed tot zijn recht komt voor bestaande bruine velden. Wanneer NOA wordt gebruikt voor groene veldtoepassingen, zou het idealiter OPC UA gebruiken voor communicatie.

MTP modulaire automatisering en NOA NAMUR Open Architectuur zijn complementair

Conclusies

1. Er is een historische trend naar decentralisatie van I/O-stations, maar de afname van veldbussen en de opkomst van universele I/O gaan beide tegen deze trend in. Terwijl de aanhoudende groei in remote I/O en het ethernet-in-the-field-initiatief bewijzen dat deze decentralisatietrend nog steeds geldig is.
2. Veldbussen, met name Foundation Fieldbus, nemen af ​​vanwege technische bekwaamheid en historische probleeminstallaties.
3. PROFIBUS is nog steeds populair omdat het buiten olie en gas wordt gebruikt, het is een defacto-standaard geworden voor communicatie in elektrische systemen en veel leveranciers gebruiken PROFIBUS DP en nu PROFINET als een I/O-bus.
4. EPC's geven de voorkeur aan I/O-oplossingen met late binding omdat ze de I/O op het laatste moment in de levenscyclus van het project kunnen definiëren, de leveringen van automatiseringssystemen worden verminderd en fabrieksbekabeling eerder kan worden geïnstalleerd en beëindigd.
5. Toegewezen I/O-oplossingen met hoge dichtheid kunnen kosteneffectiever en ruimtebesparend zijn, vooral wanneer ze op afstand worden gebruikt om te besparen op bekabeling in de fabriek. Toegewijde vaste I/O-systemen hebben een dichtheid van wel circa 470 I/O per m, terwijl universele I/O zo laag kan zijn als ongeveer 55 I/O per m.
6. In de praktijk is het waarschijnlijk dat vaste, high-density remote I/O-systemen, universele I/O, NOA en Ethernet - APL™ allemaal een tijdje naast elkaar zullen bestaan ​​en in bepaalde gebieden de voorkeur zullen krijgen. Maar zal één strategie zegevieren? Alleen de tijd zal het leren - blijf in de buurt voor een interessante rit!!