Tjäna pengar på fältbussar i processen Process Teknik 2008 Seminarium av Lars H Larsson PROFIBUS i Sverige Seminarium som hölls på mässan ProcessTeknik den 8:e oktober 2008 Föreläsare: Lars H Larsson, ordförande i PROFIBUS i Sverige Siemens AB, lars.h.larsson@siemens.com Plats: Svenska Mässan i Göteborg Innehåll: Fältbussar har funnits sedan slutet av 80-talet. PROFIBUS PA kom i mitten av 90-talet och erbjöd redan från början stora fördelar för processindustrin jämfört med den gamla traditionella tekniken med 4..20 ma och HART. Under de 13 år PROFIBUS PA funnits har den utvecklats till ett automationskoncept helt integrerat i den heltäckande automationssystem som omfattas av PROFIBUS/PROFINET. Med fördelar som redundans, felsäkerhet, utbyggnad under drift, förenklad validering, diagnostik med aktivt förebyggande underhåll,, integrering i MES system mm. finns det mycket stora pengar att tjäna på att använda PROFIBUS PA i processindustrin.
Fältbussarnas utveckling Miljoner noder 25M Upstream Mainstream Downstream 20M Installerade noder av de största fältbussarna 2008 PROFIBUS DP 15M 10M Fältbuss Antal noder därav i Process PROFIBUS DP 24 Miljoner 4 Miljoner PROFIBUS PA 0,9 Miljoner 0,8 Miljoner Interbus 10 Miljoner --- CC-Link 4 Miljoner --- DeviceNet 3,5 Miljoner 1,0 Miljoner Foundation Fieldbus 0,9 Miljoner 0,9 Miljoner Interbus 5M CC-Link 1M 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 DeviceNet FF PA 2005 2007 Under de mer än 20 år som fältbussar funnits har de utvecklats från kabelersättare till mycket kapabla automationskoncept. Från att ha varit flera 10-tal bussar har det utkristalliserats ett fåtal bussar som nu är internationella standarder. PROFIBUS DP med sina idag (hösten-2008) 28 miljoner noder är helt dominerande och har en hög användningsgrad i såväl fabriksautomation som processautomation. Det fältbussen från början var tänkt att ersätta var 4..20 ma, men där har det gått trögt. Fortfarande 13 år efter starten har PROFIBUS PA och Foundation Fieldbus tillsammans mindre än 2 miljoner installerde noder och ansluter bara 20% av processindustrins periferisignaler. Resten går via 4..20 ma.
Fältbussarnas användning 1 Marknaden inom verkstadsautomation Amerika Europa Asien 1 1 1 1 1 2 2 2 3 Marknaden inom processautomation 3 3 DeviceNet PROFIBUS CC-Link FF 1 RS 485 2 IEC 61158-2 3 4 20 ma, Hart, Användningen av fältbussar varierar över världen. Klart är dock att användningen inom fabriksautomation genomgående är högre än inom processautomation. Så kallade diskreta signaler (digitala eller analoga) förmedlas med PROFIBUS DP, DeviceNet, Interbus eller CC-link. Detta gäller både inom fabriks- och processautomation. PROFIBUS DP är dominerande men i USA finns en andel DeviceNet och i Asien (mest Japan) finns en andel CC-Link. Fältbussar för sigaler från intelligenta fältenheter i processindustrin är PROFIBUS PA och Foundation Fieldbus och de har under många år följts åt i statistiken över antalet anslutna noder. Fördelningen här är att FF dominerar i USA och Mellan Östern medan PROFIBUS PA dominerar resten av världen.
Svensk processindustri använder 4-20 ma och Hart 1 Marknaden inom fabriksautomation Europa 1 Sverige 1 1 2 2 3 3 DeviceNet Marknaden inom processautomation PROFIBUS Blandat FF 1 RS 485 2 IEC 61158-2 3 4 20 ma, Hart, 4 Svensk automation har från början varit föregångare i användningen av fältbussar och har idag en mycket större utbyggnadsgrad än resten av världen. Men detta gäller fabriksautomation och i huvudsak PROFIBUS DP. I svensk processindustri är andelen fältbussar mycket låg. undantag är typiska hybridanläggningar som livsmedel, läkemedel, VA-anläggningar och pappersindustri där PROFIBUS PA används för processignaler integrerat med PROFIBUS DP för övriga periferisignaler.
Framtiden ställer krav och öppnar möjligheter Världsomspännande kommunikation, större bandbredd, trådlös kommunikation, snabbare och exaktare reglering, bättre styrning av och mer information från produktionsanläggningen, automatisk uppdaterande system, ökad tillgänglighet, ökad säkerhet, integrering av hela processen, anläggningen, fabriken, kontoret, företaget... Kraven på processindutrin växer. Nu är det inte bara ekonomiska skäl till att använda fältbussar. Information från instrument och ställdon, integrerat i styr- och övervakningssystem och kopplat till överordnade system i MES och ERP kräver mycket mer än vad 4..20 ma och Hart kan ge. På köpet får man ytterligare fördelar som säkrare processer, ökad tillgänglighet, flexibilitet, utbyggnad- och uppdateringsmöjligheter.
Vad kan man mer tjäna på att ansluta utrustning via fältbuss? Den klassiska modellen - Konfigurationskostnad 100% 50% 0% 21% 29% 50% Central konfig. med 4 20mA enheter Kostnadsbesparing: >30% 6,2% 5,5% 57,3% Distribuerad konfig. med Fältbuss Engineering Cabling Field dev. -visar bara början på besparingarna med fältbuss Redan i mitten av 90-talet gjordes beräkningar på vad en fältbuss skulle ge i förbättrad ekonomi. Då räknade man i första hand på kostnaderna fram till produktionsstart och fann att man redan där sparade minst 30%. Detta är bara början! Under en anläggnings livslängd krävs ett omfattande underhåll, man råkar ut för att antal produktionsstopp pga haverier och oförutsedda fel, förändrad produktion kräver ombygnnader och utbyggnad, ny personal skall utbildas, nya lagar och bestämmelser skall uppfyllas, processen skall optimeras och kvalitén bibehållas eller förbättras. Det är här de stora besparingarna kan ske. Ett litet exempel: Om ökad information från instrument och ställdon kan förhindra ett enda oförutsett produktionsstopp är hela fätbussinstallationen betald. Under en anläggnings livstid förhindras ett antal produktionsstopp tack vare planerat och schemalagt förebyggande underhåll baserat på den extra information som är möjlig tack vare PROFIBUS PA.
Den kontinuerliga utvecklingen av PROFIBUS ger allt fler fördelar Profiler ger leverantörsoberoende Planering Installation Service Terminal blocks Terminal blocks Terminal blocks Skåp Dokumentation Safety barrier Driftsättning Skåp ger förebyggande underhåll mm Motion Control Safety även i Ex Central konfigurering och kalibrering Utbyggnad under drift Diagnostik med datanedväxling Färdiga trender, parametrar och signaler för HMI/Scada Drivsystem Instrument Drivsystem Remote I/O Instrument Redundans... och mycket mer De uppenbara besparingarna i form av slopade korskopplingsskåp, minskat kablage, färre kopplingsställen, lättare planering, -dokumentation, -driftsättning och service är redan de motivation nog att installera PROFIBUS PA. Fördelarna i listan till höger i bild ovan ger oerhört mycket mer under hela anläggningens livstid!
Foundation Fieldbus, PROFIBUS PA, Redundans... WEB Client MES Office LAN (Ethernet) OS Client Stationer WEB Server Engineering / Maintenance Station OS Server OS LAN (Ethernet) Industrial Ethernet/PROFINET SIMOCODE PROFIBUS DP AS 41x ET200M HF ET200S ET200iSP PROFIBUS DP AS 41x HF ET200M HF (Standard & F-Modules) ET200M HF ET200iSP PROFIBUS PA PROFIBUS PA FOUNDATION Fieldbus PROFIBUS är inte bara en fältbuss. (elaka konkurrenter påstår till och med att den är 4 bussar, vilket är fel). PROFIBUS/PROFINET är en enhetlig automationslösning. Allt efter behov och yttre förutsättningar väljer man PROFIBUS PA, DP, PROFINET. Man väljer överföringsmedia (fiber eller koppar), metod (RS485, MBP, Ethernet, Trådlöst...) och profil (PROFIsafe, PROFIdrive, PA, SEMI, IO-Link, Encoders...). Hela tiden är det samma system, samma konfigureringsverktyg och fullständigt integrerade delar med transparent åtkomlighet. Hela vägen från ingenjörstationens utvecklingsmiljö till instrument och ställdon och till och med enkla I/O-stationer är transparent så att vi når alla delar online, under drift och kan övervaka, styra, parametrera, konfigurera, utbyta och utöka. Redundans i alla led även för PA-busskabeln är flexibelt valbart för en optimerad säkerhet. Felsäkerhet över bussen, transparent för PROFINET, PROFIBUS DP och PA. Felsäkerhet i instrument och ställdon. Öppenhet: Andra fältbussar som Foundation Fieldbus, Interbus, DeviceNet osv kan inte bara anslutas utan till och med integreras.
Ett exempel bland många: Processäkerhet Failsafe via fältbuss säkrare än utan! SIS SIS 4..20 ma / HART Profibus A safety critical measurement to SIL3 Felsäkerhet i en processanläggning ställer andra krav än i fabriksautomation. En processanläggning får inte stoppas vid fel. I stället skall del av processen passiviseras eller på annat sätt styras till ett säkert läge. Man har också andra typer av signaler och använder produkter som är proven in use och som testas med bestämda tidsintervall för att uppnå felsäkerhet. Utvärdering som 2oo3 (två av tre) där tre instruments signaler utvärderas för att avgöra vilket ärvärde som är det rätta används för att uppnå hög felsäkerhet SIL 3 (Safety Integrity Level). Tack vare PROFIBUS PA och PROFIsafe kan detta ske med en enda signalkabel (standard PROFIBUS PA) ansluten till instrument med inbyggd felsäkerhet via en standard DP/PA-link och över standard PROFIBUS DP till ett felsäkert styrsystem.
Vilken typ av utrustning sitter i en processanläggning (förutom tankar, rör och byggnad)? Sensorer. Givare, instrument, vakter Automationslösning Aktuatorer: ställdon, ventiler, motorer, pumpar, växlar Dessutom: nätverk, PC:ar, UPS:er, kraftförsörjning, fläktar, tankar, rör Det är mycket som skall övervakas och som kan ge fel. Utan ett automatiskt system för övervakning, larm, underhållsbegäran, och som kan vidta egna åtgärder, blir det svårt för operatörer och underhållspersonal. PROFIBUS PA ger det underlag och koppling som behövs för ett System.
Hur bra är kontrollen på denna utrustning idag? Utnyttjas energin effektivt? Vad kostar underhållet för de olika delarna? Hur många oplanerade stopp/år? Hur lång tid tar det att komma igång igen efter ett stopp? Hur säker är utrustningen? Enkla uppgifter som cos φ kan spara 100.000-tals kronor per år eftersom det gör att pumpar och motorer kan utnyttjas rätt. Schemalagt, planerat underhåll baserat på extra uppgifter från instrument och ställdon via PROFIBUS PA sänker underhållskostnader och hindrar stopp. Central konfigurering, automatisk konfigurering av ersättningsdelar, interoperabilitet gör att anläggningen kommer igång snabbt efter ett stopp. Färre komponenter, mer information, redundans mm. gör anläggningen säkrare.
bör man ha kontroll på sin utrustning? 40% av driftskostnaderna är underhållskostnader Upp till 60% av underhållet av ventiler och drivutrustningar visar sig vara onödigt Underhållskostnader Underhåll när skadan är skedd: Förebyggande underhåll: Planerat underhåll: 1,0 x XEUR 0,5 x XEUR 0,1 x XEUR Maintenance costs X Predictive maintenance Preventive maintenance Maintenance as needed Källa: The Value Proposition of PROFIBUS in the Process Industries David Humphrey, ARC, April 2005 PROFIBUS PA ger underlag för ett scemalagt planerat underhåll, vilket sänker underhållskostnaderna med 90% jämfört med reaktivt underhåll.
Plant System (PAMS) Plant Customer benefit high Automation Components, DCS, Network, Performance Monitor. Plant Components Process low Single devices Effort and Complexity high Plant är ett aktivt underhållssystem som dels ger underhållspåpekande, -begäran eller larm och dels kan ge styrsystemet underlag för automatisk reaktion på underhållsbehov i form av styråtgärd (t.ex. ställa en PID-loop i manuellt läge) och meddelande (t.ex. SMS till jourpersonal). Performance Monitor ger information om hur processen mår och ger underlag för processoptimering.
Vilken typ av information kan modern utrustning leverera? Instrument/ställdon Mätvärden samt sekundära variabler Pluggade ledningar Kontaminering Installerad i fel miljö Falska ekon Kavitation på pumpar Fel kalibreringsgas Luftläckage Kärvande don Antal slag Riktningsändring Fel dimension ventil m.m Motorkontroll Cos phi motortemp överlastutnyttjande Energikonsumtion Vridmoment Ström/spänning Jordfel Drifttid Antal starter Stopptid Asymmetri Max/min spänning nådd Rem/transmissionsfel Eftersläpning Fläktfel Strömvärde senaste trippen Fasföljdsfel, fasfel, obalans Tid innan utlösning RLT för kontaktor m.m Övrigt Otillåtna deltagare på nätverkswitch (ethernet) Portar öppna på switch Reflektioner på bussledning Kortslutning mot jord, bussledning Övervakning powersupply Urladdade batterier (UPS) Batterikapacitet klen (UPS) Temperatur för hög (UPS) Hårddiskar i PC dåliga Fläkt i PC dålig Temperatur i PC hög Vibrationer i växlar Oljetemp växlar Oljekvalitet växlar m.m Det är hur man använder informationen som bestämmer vilken nytta man har av PROFIBUS PA. Till exempel kan historiska data från en kritisk anläggningsdel jämföras med aktuella dat för att avgöra om det skett en försämring av utrustningen. Grupper av likartad utrustning kan jämföras för att identifiera kriterier för optimering. Gemensamma fel kan lätt identifieras och förebyggas på annan likadan utrustning. Motordata identifierar många potentiella fel innan de uppstår. Transparent online kontakt gör att man inte behöver gå ut i farlig miljö till fältenheterna. Integration i ingenjörsstationer, nedladdning av profiler vid utbyte och guidning av underhållspersonal vid felsökning ger fler fördelar. Tillgång till mer driftdata ger underlag för processoptimering och högre tillgänglighet.
Vad är syftet med ett System? s. Processanläggning, Maskiner, Instrument, Kontaktorer, Ventiler, Motorer, personal.. Plant Intelligent underhåll av tillgångar för att: Reducera underhållskostnaden Reducera lager/reservdelar Öka anläggningens tillgänglighet Öka anläggningens säkerhet Säkra produktkvaliteten Eller kort och gott: - kläm ut det mesta som går av det du har!! Högre utnyttjande av en anläggning. Förlängning av anläggningens livstid. För bästa resultat skall den elektriska infrastrukturen inkorporeras i. Det finns annat som bör ingå i, som UPS-system. hjälper till att identifiera hinder i en anläggnings utnyttjande. Det är viktigt att det finns standarder (t.ex. Namur) för.
Finns det vettiga krav att ställa på ett System? NA 64 Status messages of field devices Good Malfunction Request for maintenance Function control NE 91 Integrated är en del av ett DCS Separation av UH-information och processinformation Fritt val av fältutrustning (alla leverantörer) Gemensamt visningsätt för alla s Behörighetskontroll Ingen/liten ingenjörsinsats Enkel utvärdering av status för s Loggning och dokumentation av händelser rörande s Beslutshjälp för servicepersonal Koppling mot överordnade system Enhetliga verktyg och presentation gör det lättare att implementera och få en acceptans för konceptet.
Exempel på hur utrustningen kan övervakas Ett exempel på baserat på PROFIBUS/PROFINET. Varje nivå i anläggningen övervakas: Operatörsstationerna Operatörsservrarna Kommunikationssystemen och dess komponenter Styrsystemen/DCS:erna Periferistationer Givare, instrument och ställdon. När något blir fel på någon nivå indikeras det med olika färger i fyrkanterna beroende på om det är ett påpekande, varning eller larm. Genom att klicka på det färgade fältet hamnar man i den underliggande bild där felet uppstått och kan där på modulnivå, kanalnivå se vad som är fel och även koppla sig online till respektive enhet.
Exempel på hur utrustningen kan övervakas Maintenance Event Request Status Status before after acknowledgement S F M Repair Status Ett standardiserat sätt att indikera olika tillstånd gör det enkelt för operatör och underhållspersonal att snabbt och entydigt identifiera status och behov av åtgärd.
ISA 95 informationsutbyte MES ger fördelar Resursinformation (personal, utrustning, material, produktionsceller) snabbare cykeltid Produktionskapacitetsinformation (vad finns tillgängligt att använda) Enterprice Information Tidplan för produktion, Administration, mm. Produktdefinitionsinformation (Hur skall produkten tillverkas) Produktionstidplan (Vad skall tillverkas och vad behövs till det) Produktionsresultat (Vad tillverkades och vad användes till det) Tillverkning Styrinformation Områdesövervakning, Produktionsplanering, Tillgänglighet, Säkerhet, mm. effektivare produktion högre genomströmning spårbarhet, ursprung detaljerade tidsplaner reducerad WIP bättre erfarenhetsutnyttjande bättre överskådlighet högre kvalitet bättre datakvalitet färre mantimmar större flexibilitet Framtidens krav tränger sig på. Vi har redan krav på spårbarhet och behov av produktionsplanering, kvalitétsuppföljning, processoptimering mm. Detta gör att den information som möjliggörs med PROFIBUS PA är ett måste. Med den som grund kan vi utnyttja de system som nu kommer i form av Industriellt IT, Manufacturing Execution System eller ISA95 som är olika namn på de system som sammanbinder processen med ledningen.
Trender Ökad produktivitet i alla led Kvalitet Kostnader Tid Ökad konsolidering i många branscher Bättre integration mellan tillverkarens processer och deras affärspartners Ökad kontroll av produktionsprocesser Tillgänglighet, skapande av nätverk och flexibilitet i produktionen Kortare innovationscykler i hårdvara och mjukvara ökar den tekniska komplexiteten Ökat behov av att skydda data och nätverk I slutändan handlar det om att optimera trpartsförhållandet kostnader tid kvalitét. Med alla de krav som kommer från olika håll blir automationskonceptet PROFIBUS en nödvändighet.