KA DIDAATI TYÖ 2009 Janne Sorsanen
Teknillinen korkeakoulu Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Elektroniikka ja sähkötekniikka Janne Sorsanen Teollisuuden mittaustiedon siirtojärjestelmät Kandidaatintyö 5.5.2009 Työn ohjaaja: TkT Petri Kärhä
ii TEKNILLINEN KORKEAKOULU Teknillinen korkeakoulu KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Elektroniikka ja sähkötekniikka Tekijä: Janne Sorsanen Työn nimi: Teollisuuden mittaustiedon siirtojärjestelmät Päiväys: 5.5.2009 Sivumäärä: 11+31 Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaajat: TkT Petri Kärhä Kieli: suomi Teollisuusprosessien tuottavuuden, kontrolloinnin ja luotettavuuden kannalta mitatun tiedon merkitys on suuri. Mitattu tieto on kyettävä siirtämään automaatiojärjestelmän ja kenttälaitteiden välillä luotettavasti ja ongelmitta. Perinteisesti tiedonsiirto on toteutettu analogisesti 4-20 ma:n virtaviestiä käyttäen. Mikroelektroniikan kehityksen tuomat mahdollisuudet lisätä kenttälaitteisiin älykkäitä toimintoja, tarve vähentää kaapelointia ja mittausten digitaalisuus ovat johtaneet digitaalisten, reaaliaikaisten ja kaksisuuntaisten kenttäväylien kehittämiseen. Tässä työssä tehdään kirjallisuuskatsaus teollisuuden käyttämiin tiedonsiirtotekniikoihin, ja käydään läpi kenttäväylien standardointitilannetta. Työssä tarkastellaan lähemmin kahta suosituinta kenttäväylää (Foundation Fieldbus ja Profibus PA), joiden osalta työssä tehdään markkinakatsaus sekä selvitys kenttäväyliin liitettävien instrumenttien saatavuuksista ja valmistajista. Foundation Fieldbus ja Profibus PA -kenttäväylille tehdyn markkinakatsauksen mukaan Foundation Fieldbus -kenttäväylä on selkeästi suosituin Pohjois-Amerikan markkinoilla. Profibus PA osoittautui suosituimmaksi Länsi-Euroopan markkinoilla. Kenttälaitteiden saatavuusselvityksen mukaan Foundation Fieldbus -kenttäväylälle on tarjolla enemmän automaatioinstrumentteja. Työn aikana haastateltiin Borealis Polymers Oy:n automaatioinsinööri Mikko Rönkää. Haastattelu osoitti, että kenttäväylien käyttäminen teollisuudessa riippuu erittäin paljon kyseessä olevan prosessin kokonaisuudesta ja vaativuudesta. Etenkin ulkona sijaitsevilla ja olosuhteiltaan vaativilla prosessialueilla analogiseen tiedonsiirtotekniikkaan digitaalisuuden lisäävä HART-tekniikka on osoittautunut luotettavaksi ja kustannustehokkaaksi vaihtoehdoksi. Avainsanat: fieldbus, Foundation Fieldbus, kenttäväylä, Profibus, tiedonsiirtotekniikka, teollisuus
iii Alkusanat Ensiksi tahdon esittää suuret kiitokset ohjaajalleni TkT Petri Kärhälle vaivannäöstä ja onnistuneesta yhteistyöstä. Tahdon kiittää myös oivallisista ja yksityiskohtaisista kommenteista, jotka auttoivat merkittävästi työn rakenteen ja lopullisen toteutuksen muodostamisessa. Erityisen suuret kiitokset tahdon esittää Borealis Polymers Oy:n automaatioinsinööri Mikko Röngälle kandidaatintyön aikana suoritetun haastattelun mahdollistamisesta. Tapiola, 22.4.2009 Janne Sorsanen
iv Sisällysluettelo Alkusanat... iii Sisällysluettelo... iv Lyhenteet... v 1. Johdanto... 1 2. Teollisuuden väyläratkaisut... 3 2.1. Automaation tiedonsiirtohierarkia... 3 2.2. Kenttäväylätekniikka... 5 2.2.1. Kenttäväyläsegmentti... 6 2.2.2. Kenttäväylätopologiat... 8 2.2.3. Kenttäväylän ja analogisen tiedonsiirron eroavaisuudet... 9 2.3. Kenttäväylien standardointi... 10 2.3.1. Kenttäväylän OSI-malli... 11 2.3.2. Teollisuuden kenttäväylästandardit... 12 3. Prosessiteollisuuden yleisimmät kenttäväylätekniikat... 13 3.1. Foundation Fieldbus ja Profibus PA... 13 3.2. Tiedonsiirtotekniikka... 14 3.2.1. Foundation Fieldbus... 14 3.2.2. Profibus PA... 16 3.3. OSI-malli Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylissä... 17 3.4. Foundation Fieldbus ja Profibus PA instrumenttien saatavuus... 20 3.5. Kenttäväylien markkinakatsaus... 21 4. Borealis Polymers Oy:n tiedonsiirtojärjestelmät... 23 4.1. Borealis Polymers Oy yleisesti... 23 4.2. Haastattelu Porvoon yksikön tiedonsiirtojärjestelmistä... 24 5. Johtopäätökset... 30 Viiteluettelo... 32 Liite A. Kenttäväylätekniikoita ja niiden ominaisuuksia...35 Liite B. Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväyläinstrumenttien markkinakatsaus 36
v Lyhenteet ASi CAN CENELEC DCS FF HART HSE IEC IPIC IS AS Interface Controller Area Network European Committee for Electrotechnical Standardization Distributed Control System Foundation Fieldbus High Addressable Remote Transducer High Speed Ethernet International Electrotechnical Commission International Petroleum Investment Company Intrinsically Safe ISA ennen Instrument Society of America, nykyisin The International Society of Automation ISO ISP LAS MMI OSI PA PI PLC SCADA VCR International Organization for Standardization Interoperable System Project Link Active Scheduler Man Machine Interface Open Systems Interconnection Reference Model Process Automation PROFIBUS & PROFINET International Programmable Logic Controller Supervisory Control and Data Acquisition Virtual Communication Relationships
1 1. Johdanto Teollisuuden tuotantoprosesseissa on käytössä lukuisia mittalaitteita, joilla kerätään tietoa prosessin tilasta. Kerättyä mittaustietoa hyödynnetään teollisuusprosessin automatisoinnissa ja kontrolloinnissa. Jotta prosessin toiminnan seuraamisen ja säätämisen kannalta oleellinen mittaustieto saataisiin siirrettyä prosessia ohjaaville laitteille, tarvitaan kenttämittalaitteiden ja automaatiojärjestelmien välille luotettava ja tehokas tiedonsiirtoprotokolla. Perinteisesti kenttälaitteiden tiedonsiirtotekniikka on toteutettu analogisesti 4 20 ma:n standardivirtaviestiä käyttäen. Mikroelektroniikan kehityksen tuomat mahdollisuudet lisätä kenttälaitteisiin älykkäitä toimintoja, tarve vähentää kaapelointia sekä mittausten digitaalisuus olivat tekijöitä, jotka ovat johtaneet digitaalisen, reaaliaikaisen ja kaksisuuntaisen tiedonsiirtoprotokollan kehittämiseen [1]. Protokolla tunnetaan yleisesti nimellä kenttäväylä (englanniksi fieldbus). Kenttäväylätekniikan kehittäminen johti siihen, että useat eri valmistajat kehittivät oman näkemyksensä mukaisia signaalinkäsittelyprotokollia, minkä vuoksi eri valmistajien laitteet eivät usein olleet yhteensopivia keskenään. Tämän vuoksi loppukäyttäjät joutuivat usein tyytymään ainoastaan yhden valmistajan tuotteisiin varmistaakseen hankkimiensa laitteiden yhteensopivuuden. Näin ollen syntyi suuri tarve saada yksi ainoa standardoitu tiedonsiirtoprotokolla, jossa eri valmistajien kenttälaitteet toimisivat keskenään ilman yhteensopivuusongelmia. [2] Tässä kandidaatintyössä tehdään kirjallisuuskatsaus teollisuuden tämänhetkisiin tiedonsiirtotekniikoihin. Työssä käydään läpi kenttäväylästandardein toteutettuja sovelluksia, tehdään markkinaselvitys kenttäväylien nykytilanteesta sekä tarkastellaan eri kenttäväylästandardien mahdollistamia instrumenttisaatavuuksia. Työn on erityisesti tarkoitus antaa vastauksia kysymyksiin, jotka koskevat kenttäväylien tämänhetkistä standardointia, markkinatilannetta ja ominaisuuksia. Luvussa kaksi tarkastellaan kenttäväylästandardien historiaa, selvitetään kenttäväylän määritelmä ja rakenne, käydään läpi kenttäväylän hyötyjä ja haittoja vanhaan
2 tiedonsiirtotekniikkaan verrattuna sekä luodaan läpileikkaus yleisimmistä kenttäväylästandardeista. Kolmannessa luvussa otetaan lähempään tarkasteluun teollisuuden kaksi yleisintä kenttäväyläprotokollaa: Profibus PA (PA = Process Automation) ja Foundation Fieldbus. Näiden kenttäväylien osalta luvussa käydään läpi myös kenttälaitteiden saatavuuksia ja tämänhetkistä kenttäväylien markkinatilannetta. Työn aikana tehdään yrityshaastattelu, jonka tarkoituksena on selvittää kokonaiskuva Borealis Polymers Oy:n tuotantoprosessissa käytetyistä tiedonsiirtojärjestelmistä sekä tiettyjen tiedonsiirtoprotokollien valintoihin johtaneista syistä. Haastattelu käsitellään kokonaisuudessaan luvussa neljä. Lopuksi esitetään työn edetessä esille nousseet johtopäätökset edellä mainittuihin asioihin, ja käsitellään kenttäväylien kehityssuuntauksia.
3 2. Teollisuuden väyläratkaisut 2.1. Automaation tiedonsiirtohierarkia Koko yrityksen kattavan automaation kommunikointi voidaan karkeasti ajatella koostuvan eri hierarkkisista tasoista, vaikka yritysten käyttämän tiedonsiirron kokonaisuus vaihtelee toimialojen mukaan. Hierarkkisten tasojen lukumäärä riippuu tulkinnasta. Kuvassa 1 esitetyssä esimerkissä eri kommunikaatiotasoja ovat hallinnointi-, tuotannonhallinta-, prosessinohjaus- ja kenttätaso. Koska nykyään on olemassa älykkäitä kenttäväylälaitteita, joiden avulla voidaan ohjata säätöpiirejä, ei esimerkiksi prosessinohjaus- ja kenttätason välinen ero ole täysin yksiselitteinen. Kuva 1. Teollisuusyrityksen automaatiotekniikan kommunikaatiohierarkia. [6] Teollisuusyrityksen kommunikaatiohierarkian hallinnointitasolla sijaitsee tietojärjestelmäosaston hallinnoima tietojärjestelmä, joka on yhdistetty kommunikaatiohierarkian alemmille tasoille. Yhdistäminen toteutetaan korkean tason tietoverkoilla, kuten Ethernet-paikallisverkolla (Ethernet), vuororengasverkolla
4 (Token Ring) tai vuoroväylällä (Token Bus). Tällä tasolla liiketaloudellinen hallinto hyödyntää alemmilta tasoilta saatua tietoa tehtävissä, joita ovat muun muassa tilitys, tilausten tekeminen, arkistointi, tuotesuunnittelu, mainonta ja tilastointi. Tuotannosta vastaavat johtajat toimivat tuotannonhallintotasolla, joka on niin ikään yhdistetty alempiin hierarkiatasoihin käyttäen korkean tason tietoverkkoteknologiaa, kuten Ethernet-paikallisverkkoa. Verkon ja tuotannon seuraamiseen tarkoitettujen ohjelmistojen avulla johtajat pystyvät seuraamaan tuotantoprosessien tapahtumia reaaliajassa, ja tekemään tarvittavia muutoksia. Tällä tasolla suoritetaan tuotantoprosessin hallintaan liittyviä tehtäviä, kuten tuotantosekvenssien optimointia, prosessitietojen analysointia ja tuotannonsuunnittelua. Tuotantoprosessin kontrolloinnista ja valvonnasta huolehtii prosessinohjaustaso, jossa toimilaitteita, kuten venttiilejä ohjataan kenttäväylien välityksellä antureilta saatujen mittaustietojen ja prosessin asetusarvojen mukaisesti. Tyypillisesti ohjaus toteutetaan ohjelmoitavilla logiikoilla (PLC = Programmable Logic Controller), prosessinohjausjärjestelmillä (PCS = Process Control System) tai hajautetuilla ohjausjärjestelmillä (DCS = Distributed Control System). Tällä tasolla operaattorit valvovat tuotantoprosessin kulkua sekä prosessin hälytyksiä ja kehityssuuntaa tehtäviin tarkoin suunnitelluilla ohjelmistoilla, ja puuttuvat tarvittaessa prosessin kulkuun. Kyseessä on taso, jossa ihmistyön ja automaation välinen rajapinta muodostetaan esimerkiksi MMI-järjestelmillä (Man Machine Interface) tai SCADA - valvomo-ohjelmistoilla (Supervisory Control and Data Acquisition). Prosessinohjaustason tehtävä on lisäksi huolehtia kenttälaitteiden kunnossapidon suunnittelusta. Alimpana sijaitsevat kenttätaso koostuu prosessia mittaavista ja säätävistä anturi- ja toimilaitteista. Tason tehtävänä on lähettää prosessin kannalta tärkeää mittaustietoa esimerkiksi lämpötiloista, paineolosuhteista, virtauksista ja pinnankorkeuksista kenttäväylän kautta ensisijaisesti prosessinohjaustasolle, joka ohjaa toimilaitteita saatujen mittaustietojen perusteella. Jotta prosessista saataisiin nopeavasteinen, vaaditaan anturi- ja toimilaitteiden tasolla tiedonsiirrolta pientä reaktioaikaa, nopeutta ja kykyä lähettää pieniä datapaketteja. [3, 4, 5, 6]
5 2.2. Kenttäväylätekniikka Teollisuuden tiedonsiirto prosessinohjauksen sekä anturi- ja toimilaitteiden välillä on perinteisesti toteutettu 1960-luvulta lähtien analogista 4 20 ma:n tiedonsiirtotekniikkaa käyttäen. Tämä 3 15 psi:n paineviestin korvannut protokolla toimi siten, että jokainen kenttälaite liitettiin omalla parikaapelillaan valvomoon, mikä mahdollisti yksisuuntaisen tiedonsiirron säätäjien, antureiden ja toimilaitteiden välillä. Tietokoneaikakauden mukanaan tuomat mikroprosessorit mahdollistivat uusien toimintojen toteuttamisen kenttälaitteisiin, mikä lisäsi oleellisesti siirrettävän tiedon määrää. Koska kenttälaitteisiin kyettiin suunnittelemaan uusia älykkäitä toimintoja, kuten omia säätäjätoimilohkoja, oli tarpeellista kyetä välittämään tietoa kahteen suuntaan myös kenttälaitteiden välillä. Analogisen 4 20 ma:n tiedonsiirron vahvuuksina olivat sen yksinkertaisuus ja nopea vaste. Yksisuuntaisen tiedonsiirron tilalle tarvittiin kuitenkin uusi tiedonsiirtotekniikka. Täysin digitaalinen kenttäväylä kehitettiin alun perin vähentämään suurta kaapeloinnin määrää sekä mahdollistamaan mikroprosessorien avulla toteutettujen kenttälaitteiden lisäominaisuuksien käytön. Esimerkki kenttäväylän mahdollistamasta kytkentätavasta on esitetty kuvassa 2. Kenttäväylä on täysin digitaalinen, kaksisuuntainen tiedonsiirtotekniikka, joka mahdollistaa kenttälaitteiden keskitetyn ohjaamisen ja kontrolloimisen. Perusajatus on, että automaatiojärjestelmä ja suuri määrä kenttälaitteita voidaan yhdistää vain yhtä kierrettyä parikaapelia käyttäen siten, että runkokaapeli viedään mahdollisimman lähelle mitattavaa prosessia. Kenttälaitteet liitetään parikaapelin päässä olevaan kytkentärasiaan, jolloin kaapeloinnin määrä pienenee ja yksinkertaistuu merkittävästi.
6 Kuva 2. Esimerkki kenttäväyläkytkennästä. [8] Kenttäväylän tiedonsiirron voidaan katsoa koostuvan kahdesta osasta: alempinopeuksisesta H1-kenttäväylästä ja nopeammasta H2-kenttäväylästä. H1- kenttäväylää käytetään pääasiassa kenttälaitteiden keskinäiseen tiedonsiirtoon. H2- kenttäväylää käytetään automaatiojärjestelmän ja kenttälaitteiden väliseen kommunikointiin. H1- ja H2-kenttäväylät voidaan yhdistää toisiinsa sillan (bridge) avulla. H1-kenttäväylän tiedonsiirto toimii nopeudella 31,25 kbit/s. H2-kenttäväylän nopeus on puolestaan joko 1 Mbit/s tai 2,5 Mbit/s. Analogiseen tiedonsiirtoon verrattuna H1-kenttäväylän tiedonsiirtonopeus on noin 10 20 -kertainen. [2, 6, 7, 8] 2.2.1. Kenttäväyläsegmentti Kenttäväyläsegmentin muodostavat kenttäväylän ja automaatiojärjestelmän rajapinnasta alkava runkokaapeli sekä siihen liitetyt haarakaapelit ja kenttälaitteet. Signaalien vaimenemisen johdosta yhden segmentin pituus on rajoitettu. Mikäli kenttäväyläverkkoon halutaan kytkeä useita segmenttejä tai lisätä segmentin pituutta, on segmenttiin asennettava signaalia vahvistava toistin. Jokainen uusi toistin
7 muodostaa uuden segmentin. Kuvassa 3 on esitetty esimerkki kenttäväyläsegmentin rakenteesta. Kuva 3. Esimerkki kenttäväyläsegmentistä. [10] Kenttälaitteet toimivat tasajännitteellä 9 32 V. Tarvittava energiansyöttö kenttäväylässä voidaan toteuttaa runkoparikaapelin kautta. Ilman tehosovitusta runkokaapeliin kytketty teholähde vaimentaisi muita runkokaapelissa kulkevia signaaleja, koska se yrittäisi ylläpitää vakiojännitetasoa. Jotta voitaisiin estää signaalien vaimeneminen, teholähde sovitetaan asentamalla teholähteen ja runkokaapelin väliin 50 Ω:n vastuksen ja 5 mh:n kelan sarjaankytkentä. H1-kenttäväyläsegmentti on aina viimeisteltävä asentamalla segmentin molempiin päihin päätevastukset. Päätevastusten tehtävä on estää kaapelissa kulkevien signaalien heijastuminen. Päätevastus muodostetaan asentamalla segmentin runkokaapelin päihin 100 Ω:n vastuksen ja 10 µf:n kondensaattorin sarjaankytkentä. Koska toistimen lisääminen muodostaa uuden segmentin, on myös uusi segmentti viimeisteltävä päätevastuksin. [9, 10, 11]
8 2.2.2. Kenttäväylätopologiat Kenttäväyläsegmentin implementointi automaatiojärjestelmään voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Kenttäväylätopologia määrittelee, kuinka kenttäväyläsegmentissä olevat kenttälaitteet on kytketty toisiinsa nähden. Mahdollisia kenttäväylätopologioita ovat suora kytkentä (Point-to-point), laitteelta laitteelle -kytkentä (Daisy Chain), puukytkentä (Tree) ja väyläkytkentä (Bus with spurs). Kenttälaitteet voidaan kytkeä myös yhdistämällä edellä mainittuja topologioita keskenään sovelluskohteesta riippuen. Kaikki edellä mainitut väylätopologiat on esitetty kuvassa 4. Kuva 4. Kenttäväylätopologiat. [12] Suora kytkentä vastaa toteutukseltaan perinteistä I/O-kytkentää, jossa jokaisella kenttälaitteella on oma kytkentäkaapeli. Koska suoran kytkennän vaatima kaapelimäärä on suuri, ei sitä voida pitää kustannustehokkaana vaihtoehtona. Laitteelta laitteelle -kytkennässä kenttälaitteet on yhdistetty toisiinsa ketjumaisesti. Hyvänä puolena tässä topologiassa on asennuksen helppous. Huonona puolena pidetään puolestaan sitä, että yhdenkin laitteen rikkoutuminen haittaa muiden samassa segmentissä olevien laitteiden toimintaa.
9 Väyläkytkennässä kenttälaitteet kytketään runkokaapeliin kytkentärasioiden kautta, jolloin kaapeloinnin määrä vähenee. Merkittävää väyläkytkennässä on se, että yhden laitteen rikkoutuminen ei vaikuta muiden samassa segmentissä olevien laitteiden toimintaan. Puukytkennässä kenttälaitteet kytketään runkokaapeliin käyttäen yhtä kytkentärasiaa. Tämän vuoksi puutopologiaa voidaan käyttää kytkentäpisteiden minimoimiseen. [2, 9, 12, 13] 2.2.3. Kenttäväylän ja analogisen tiedonsiirron eroavaisuudet Suurimpana erona kenttäväylätekniikan ja perinteisen 4 20 ma:n virtaviestin välillä voidaan pitää kenttäväylän tiedonsiirron digitaalisuutta. Digitaalinen kommunikointi mahdollistaa entistä suurempien tietomäärien siirtämisen entistä nopeammin vain yhden runkokaapelin välityksellä. Analoginen 4 20 ma:n tiedonsiirto on yksisuuntaista, joten sillä pystytään siirtämään kerrallaan ainoastaan joko sisääntulo- tai ulostulosignaali. Digitaalinen ja kaksisuuntainen tiedonsiirtotekniikka mahdollistaa myös hajautetun säädön (DCS) toteuttamisen ja ohjelmoitavien logiikoiden (PLC) siirtämisen pois valvomosta lähemmäksi prosessia. Kenttäväylä mahdollistaa suurienkin kenttälaitemäärien kytkemisen ainoastaan yhden runkoparikaapelin välityksellä. Tämän vuoksi kenttäväylä vähentää oleellisesti kaapeleiden määrää. Vähentyneiden kaapeleiden määrästä seuraa se, että myös kenttäväylän dokumentointi, suunnittelu ja asennus helpottuvat analogiseen tekniikkaan verrattuna. Tarkan ja robustin tiedonsiirtoverkon rakentaminen on mahdollista, koska digitaalisen tiedonsiirron signaalilla on vain kaksi tilaa: nolla tai yksi. Vastaavasti analoginen signaali voi saada välillään (4 20 ma) minkä tahansa desimaalin arvon, jolloin myös vääristynyt signaali näyttää oikealta. Digitaalisuus mahdollistaa lisäksi lähetetyn signaalin oikeellisuuden tarkistamisen bittitasolla, jolloin vääristynyt signaali voidaan jäljittää. Digitaalinen, kaksisuuntainen ja sarjaliikenteinen kenttäväylä mahdollistaa myös älykkäiden kenttälaitteiden käyttämisen. Kyseiset kenttälaitteet kykenevät
10 lähettämään muun muassa diagnostiikkatietoja toimintakunnostaan. Ominaisuuden ansiosta kenttälaitteiden huoltaminen ja ylläpitäminen helpottuu, ja prosessin luotettavuus kasvaa. [2, 14, 15] 2.3. Kenttäväylien standardointi Kenttäväylätekniikkaa on useasti yritetty yhtenäistää yhdeksi, kansainväliseksi standardiksi, jonka avulla kaikkien eri valmistajien kenttälaitteet voitaisiin saada toimimaan keskenään ilman yhteensopivuusongelmia. Kenttäväylien kehittäminen alkoi 1980-luvulla, jolloin eri valmistajien tuottamat ehdotukset yhteiseksi standardiksi johtivat siihen, että tarjolla oli lukuisia eri valmistajien kenttälaitteita, jotka eivät toimineet keskenään ongelmitta. Näin ollen oli perusteltua ryhtyä kehittämään yhteistä standardia. Ensimmäiset IEC:lle (International Electrotechnical Commission) tehdyt standardiehdotukset olivat peräisin Euroopasta. Kaksi lupaavinta ehdotusta olivat ranskalainen FIP ja saksalainen PROFIBUS. Ne erosivat toisistaan tiedonsiirron osalta. Molemmat standardoitiin kansallisella tasolla, mutta kansainvälinen standardointi halusi hyödyntää molempien ehdotuksien parhaat puolet. Tämän seurauksena ranskalaiset kehittivät uuden ehdotuksen, joka kulki nimellä WorldFIP. PROFIBUS-ehdotuksen kehittyneempi versio oli puolestaan ISP (Interoperable System Project). Tällä välin myös Pohjois-Amerikassa oli tehty ehdotuksia ISA:lle (tuolloin Instrument Society of America, nykyisin The International Society of Automation). ISA:n ehdottama tekniikka kansainväliseksi standardiksi oli nimeltään Foundation Fieldbus (FF). Vuosien 1995 1998 aikana standardien kehitys oli tullut umpikujaan. Koska yhteistä ratkaisua ei tahtonut löytyä, ja kenttäväylät olivat jo kaupallisia, päätti CENELEC (the European Committee for Electrotechnical Standardization) standardoida Euroopassa useimmat ehdotukset kansallisella tasolla sellaisenaan. Lopulta vuonna 1999 kirjoitettiin sopimus kenttäväyläsodan lopettamiseksi. Samalla tehtiin päätös IEC 61158 standardista, johon päätettiin sisällyttää OSI-mallin (The Open Systems Interconnection Reference Model) tasot 1, 2 ja 7. Tämä päätös ei ole kuitenkaan
11 koskaan johtanut yhteen ainoaan kenttäväylästandardiin. OSI-mallista on kerrottu lisää seuraavassa alaluvussa 2.3.1. [2, 7, 14, 16, 17] 2.3.1. Kenttäväylän OSI-malli Kenttäväylän tiedonsiirtoprotokolla perustuu ISO:n (International Organization for Standardization) vuonna 1984 julkaisemaan kansainväliseen OSI-malliin (The Open Systems Interconnection Reference Model), joka on tietoverkkojen suunnittelua varten kehitetty kansainvälinen viitekehys. Sekä alkuperäinen että kenttäväylille suunniteltu OSI-malli ovat nähtävillä taulukossa 1. Malli jakaa tiedonsiirron seitsemään kerrokseen. Kenttäväylätekniikka käyttää OSI-mallin määrittämistä kerroksista tiedonsiirron suorituskyvyn takaamiseksi vain kolmea, jotka ovat fyysinen kerros (Physical Layer), siirtoyhteyskerros (Data Link Layer) ja sovelluskerros (Application Layer). Lisäksi Foundation Fieldbus -kenttäväyläprotokolla on määrittänyt kahdeksannen kerroksen, joka on nimeltään käyttäjäkerros (User Layer). Taulukko 1. ISO:n OSI-malli. Kenttäväylän käyttämät kerrokset on lihavoitu. [18] 7. Sovelluskerros 6. Esitystapakerros 5. Yhteysjakso 4. Kuljetuskerros 3. Välityskerros 2. Siirtoyhteyskerros 1. Fyysinen kerros Yhteydenpidon osapuolien tunnistus, autorisointi ja dialogitavan valinta Syntaksin valinta, syntaksin muuntaminen ja tietorakenteen muuntaminen Yhteyksien luominen ja purku, dialogin ohjaus ja kokousliitäntöjen synkronointi Siirtoliitäntöjen luominen, kanavointi, vianhaku ja korjaus Reititys, verkkoliitäntöjen kanavointi ja virtauksen säätely Tahdistus, järjestyksen- ja virtauksenvalvonta Bittien siirtäminen, koodaus ja tahdistus
12 Fyysiselle kerrokselle on olemassa kansainvälinen standardi (IS 1158-2). Sen tehtävä on huolehtia tiedonsiirron fyysisessä toteutuksessa käytetyistä käytännöistä. Kerroksen tehtävä on määrittää muun muassa tiedonsiirrossa käytettävien kaapeleiden spesifikaatiot, H1- ja H2-kenttäväylien tiedonsiirtonopeudet, niihin suurimmillaan kytkettävissä olevien kenttälaitteiden lukumäärät ja käytettävät kenttäväylätopologiat. Lisäksi fyysinen kerros määrittää tavat, joilla digitaalinen signaali binääritasolla koodataan. Siirtoyhteyskerroksessa määritellään tavat, joilla tiedonsiirto toteutetaan. Se toimii fyysisen kerroksen tiedonsiirron valvojana ja tunnistaa muun muassa kommunikointivirheitä. Tiedonsiirtoon on käytettävissä kolmenlaisia protokollia. Näitä ovat: keskitetty isäntä, väylän välitys ja valtuuden välitys. Lisäksi tässä kerroksessa määritellään tiedonsiirron aikakäsitteet ja jonotusperiaatteet. Kenttäväylätekniikan ylimpänä sijaitseva sovelluskerros on lähimpänä käyttäjää. Se tuottaa käyttäjälle suoran viestinnän palvelut, ja määrittelee, millaisia sovelluksia ja toimintoja kenttäväyläsovelluksissa voidaan toteuttaa. Tällaisia toimenpiteitä ovat muun muassa mahdollisuus raportointiin, sovelluksien lataaminen ja jakaminen sekä tuki puskureille ja jonoille. [2, 7, 18, 19] 2.3.2. Teollisuuden kenttäväylästandardit Tällä hetkellä ei ole päästy yhteen ainoaan kenttäväylästandardiin. Tarjolla on useita erilaisia vaihtoehtoja eri teollisuuden alojen tarkoituksiin. IEC:n standardoimia kenttäväyliä, jotka ovat yleisesti markkinoilla, ovat muun muassa Profibus, Foundation Fieldbus, ControlNet, P-Net, FF High Speed Ethernet (HSE), SwiftNet, WorldFIP ja Interbus-S. Eri väyläprotokollat voidaan jakaa käyttökohteen mukaan prosessiväyliin, sekä anturija toimilaiteväyliin. Prosessiväyliin luetaan kuuluvaksi Profibus PA, Foundation Fieldbus, WorldFIP, ControlNet, Modbus, Interbus ja CAN (Controller Area Network). Anturi- ja toimilaiteväyliä ovat puolestaan Seriplex, Interbus, ASi (AS Interface), DeviceNet, ControlNet ja Profibus DP. Liitteessä A on vertailtu eri kenttäväyläprotokollien ominaisuuksia. [2, 20]
13 3. Prosessiteollisuuden yleisimmät kenttäväylätekniikat 3.1. Foundation Fieldbus ja Profibus PA Foundation Fieldbus kenttäväylä on Fieldbus Foundation korporaation kehittämä digitaalinen, kaksisuuntainen ja sarjaliikenteinen kommunikointiprotokolla, joka on suunniteltu erityisesti prosessiautomaation tarpeisiin. Foundation Fieldbus kenttäväylä mahdollistaa kenttälaitteiden keskinäisen kommunikoinnin, minkä vuoksi älykkäiden kenttälaitteiden toimintoja voidaan hyödyntää. Näin ollen säätö voidaan tarvittaessa hajauttaa. Tehonsyöttö ja tiedonsiirtosignaalit voidaan kuljettaa samaa runkokaapelia pitkin. Foundation Fieldbus -kenttäväyläperhe tarjoaa sekä hitaamman H1-väylän että nopeamman korkeatasoisen HSE (High Speed Ethernet)-väylän, joiden avulla kenttälaitteet ja ylemmän tason valvonta- ja säätötekniikat voidaan yhdistää yhtenäiseksi tiedonsiirtoverkoksi. Foundation Fielbus yhteensopivia kenttälaitteita valmistavien yritysten on hyväksytettävä tuotteensa Fieldbus Foundation korporaatiolla, ennen kuin kenttälaitteita voidaan markkinoida Foundation Fieldbus kenttäväylään yhteensopivina. Tällä tavoin voidaan varmistaa eri valmistajien tarjoamien laitteiden yhteensopivuus Foundation Fieldbus kenttäväylää käytettäessä. Profibus PA kenttäväylä on Siemens-konsernin ja yhteistyökumppaneiden kehittämä, prosessiautomaation tarpeisiin suunniteltu tiedonsiirtoprotokolla. Profibus PA on H1-kenttäväylä, jota käytetään yhdessä H2-tasoisen Profibus DP väylän ja ylemmän tason Profinet-väylän kanssa yhtenäistämään koko tehtaan tiedonsiirto yhdeksi verkoksi. Profibus PA kenttäväylän tiedonsiirtosignaalit ja tehonsyöttö voidaan kuljettaa samaa runkokaapelia pitkin aivan kuin Foundation Fieldbus kenttäväylässäkin. Tiedonsiirto on toteutettu siten, että kenttälaitteiden keskinäinen kommunikointi ei ole mahdollista. Tämän vuoksi säädön hajauttaminen ei Profibus PA kenttäväylää käytettäessä onnistu. Tiedonsiirtotekniikat ovat tarkemmin esillä luvussa 3.2. Foundation Fielbus korporaatiosta poiketen PI-yhteisö (PROFIBUS &
14 PROFINET International) ei vaadi valmistajilta kenttälaitteiden yhteensopivuuden testausta ja rekisteröintiä. [18, 21, 22] 3.2. Tiedonsiirtotekniikka 3.2.1. Foundation Fieldbus Foundation Fieldbus kenttäväylä tarjoaa kaksi väylätyyppiä: H1-väylän ja korkean tason HSE-väylän. Esimerkki H1- ja HSE-väylistä on nähtävillä kuvassa 5. H1-väylää käytetään kenttätason tiedonsiirtoon. HSE-väylää käytetään pääasiassa ylemmän tason tiedonsiirtoon, jossa tarvitaan suurempia tiedonsiirtonopeuksia. Tällainen sovelluskohde on esimerkiksi prosessinohjausasemien välinen tiedonsiirto. H1-väylän tiedonsiirtonopeus on 31,25 kbit/s. HSE-väylä toimii puolestaan nopeudella 100 MB/s, ja se käyttää Ethernet-standardiin perustuvia komponentteja. Tiedonsiirto on toteutettu Manchester-koodilla. H1- ja HSE-väylät voidaan yhdistää linkillä (linking device) yhtenäiseksi tiedonsiirtoväyläksi. Linkki kykenee puskuroimaan viestejä, mikä mahdollistaa viestien lähettämisen kahteen eri väylään eri nopeuksilla. Toinen tapa yhdistää H1- ja HSE-väylät on käyttää kytkintä (coupler). Kytkin ei kuitenkaan puskuroi viestejä, minkä vuoksi HSE-väylä joutuu toimimaan normaalia hitaammalla tiedonsiirtonopeudella.
15 Kuva 5. Foundation Fieldbus -kenttäväylän väylähierarkia. [21] Foundation Fieldbus kenttäväylä mahdollistaa usean väyläisännän liittymisen verkkoon, mutta vain yksi niistä toimii kerrallaan aktiivisena väylän hallinnoijana (LAS = Link Active Scheduler). Aktiivisen väylän hallinnoijan tehtävänä on kontrolloida tiedonsiirtoa, ja varmistaa, että jokainen viesti lähetetään täsmälleen oikeana ajankohtana. Foundation Fieldbus kenttäväylätekniikka mahdollistaa kolmen eri virtuaalisen kommunikointisuhdetyypin (VCR = Virtual Communication Relationships) toteuttamisen. Näitä ovat asiakas palvelija (client server), julkaisija tilaaja (publisher subscriber) ja raportinjako (report distribution)-suhteet. Asiakas palvelija suhde toimii siten, että yksi laite toimii asiakkaana (client), ja pyytää esimerkiksi viritysparametria palvelijalta (server). Palvelija vastaa pyyntöön, ja lähettää parametrin asiakkaalle. Julkaisija tilaaja suhteessa jokin kenttälaite toimii julkaisijana (publisher), joka lähettää viestinä esimerkiksi prosessimuuttujan. Kaikki tilaajana (subscriber) toimivat laitteet, jotka tarvitsevat kyseisen parametrin, vastaanottavat viestin. Raportinjako-suhde toimii siten, että esimerkiksi diagnostiikkahälytyksen sattuessa kenttälaite lähettää viestinsä isännälle heti, kun se
16 on vastaanottanut tunnisteen. Tällöin isännän ei tarvitse säännöllisesti kysellä laitteiden tilaa. Foundation Fieldbus kenttäväyläsegmentin maksimipituus on 1900 m. Jos kenttäväylän tehonsyöttö ei tapahdu runkokaapelin kautta, yhteen segmenttiin voidaan liittää enintään 32 kenttälaitetta. Kun tehonsyöttö tapahtuu runkokaapelin välityksellä, kenttälaitteita voidaan liittää yhteen segmenttiin enintään 12. Räjähdysvaarallisissa tiloissa IS mallin (IS = Intrinsically Safe) mukaisia kenttälaitteita voidaan yhteen segmenttiin liittää enintään 6. Fieldbus Foundation suosittelee käytettäväksi puu- ja väylätopologioita. [18, 21, 23] 3.2.2. Profibus PA Profibus PA kenttäväylä koostuu H1-väylästä, H2-tason Profibus DP väylästä ja korkeamman tason Profinet-väylästä. Esimerkki väylien sijoittumisesta prosessiympäristöön on nähtävillä kuvassa 6. H1-väylän tiedonsiirto toimii nopeudella 31,25 kbit/s. H2-tason Profibus DP väylän tiedonsiirtonopeus voidaan RS485-rajapintaa käytettäessä valita väliltä 9,6 kbit/s ja 12Mbit/s. Korkeanopeuksinen Profinet käyttää Ethernet-standardin mukaisia komponentteja, aivan kuin Foundation Fieldbus kenttäväylän HSE-väylä. Eri väylätasot voidaan yhdistää käyttämällä joko linkkiä tai kytkintä. Tiedonsiirto on toteutettu Manchester-koodilla.
17 Kuva 6. Profibus PA -kenttäväylän väylähierarkia. [22]. Profibus PA kenttäväylän tiedonsiirto toimii isäntä orja -tekniikkaan (master slave) perustuen. Profibus PA väylä mahdollistaa usean isännän liittymisen verkkoon. Kuitenkin vain yksi isäntä kerrallaan voi kirjoittaa arvoja. Tiedonsiirtoverkossa tunniste kiertää isännältä isännälle. Se isäntä, jolla tunniste on hallussaan, on oikeutettu käyttämään väylää. Profibus PA väylässä isäntä orja - tekniikka toimii siten, että isäntä pyytää esimerkiksi prosessimuuttujan arvon orjalta, jolloin orja vastaa. Profibus PA kenttäväylän rajoitukset ovat pitkälti samat kuin Foundation Fieldbus kenttäväylässä. Kenttälaitteita Profibus PA väylään voidaan liittää korkeintaan 32, ja suurin sallittu segmentin pituus on 1900 m. PI-yhteisö suosittelee, että kenttälaitteiden liittämisessä käytetään puu- tai väylätopologiaa. [18, 22, 23] 3.3. OSI-malli Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylissä Foundation Fieldbus kenttäväylä perustuu OSI-malliin, mutta se käyttää seitsemästä kerroksesta vain kolmea. Kuvassa 7 on esimerkki Foundation Fieldbus kenttäväylän käyttämistä OSI-kerroksista. Käytetyt kerrokset ovat 1, 2 ja 7. Fieldbus Foundation
18 korporaatio on määritellyt käyttämänsä mallin siten, että kerros 7 on jaettu kahteen osaan, joita ovat kenttäväylän viestinerittely (Fieldbus Message Specification) ja kenttäväylän pääsyalakerros (Fieldbus Access Sublayer). Lisäksi kerrokset 2 ja 7 muodostavat kokonaisuuden, jota Fieldbus Foundation kutsuu kommunikaatiopinoksi (Communication Stack ). Kerroksien 1, 2 ja 7 lisäksi Foundation Fieldbus kenttäväylä käyttää Fieldbus Foundation korporaation suunnittelemaa käyttäjäkerrosta (User Layer), jota ei ole määritelty OSI-mallissa. Käyttäjäkerros toimii muiden kerrosten yläpuolella, ja se koostuu kolmesta lohkosta, joita ovat resurssilohko (Resource Block), siirtolohko (Transducer Block) ja toimilohko (Function Block). Resurssilohko määrittelee kenttäväylälaitteen ominaisuudet, kuten sarjanumeron, nimen ja valmistajan. Toimilohko määrittelee säätöjärjestelmän käyttäytymisen, ja se sisältää myös prosessinohjaustoimintoja, joiden avulla toimilaitteet voivat suorittaa toimintoja, jotka ennen suoritettiin automaatiojärjestelmän tasolla. Taulukossa 2 on nähtävillä kaikki toimilohkon sisältämät toiminnot. Toimilohkojen avulla voidaan suorittaa muun muassa säädön hajautus. Siirtolohkon tehtävä on konfiguroida kenttälaitteita. Se sisältää tietoa kenttälaitteesta, kuten kalibrointipäivämäärän ja anturityypin.
19 Kuva 7. Foundation Fieldbus kenttäväylän OSI-malli. Käyttäjäkerrosta ei ole määritelty alkuperäisessä OSI-mallissa. [21] Profibus PA kenttäväylä on niin ikään suunniteltu OSI-mallin pohjalta. Se käyttää OSI-mallin kerroksia 1, 2 ja 7, kuten Foundation Fieldbus kenttäväyläkin. Sen sijaan Profibus PA kenttäväylä ei käytä erillistä käyttäjäkerrosta (User Layer). Tästä huolimatta Profibus PA sisältää resurssi-, siirto- ja toimilohkot Foundation Fieldbus kenttäväylän tapaan. Profibus PA -väylä eroaa Foundation Fieldbus väylästä siten, että Profibus PA kenttäväylä sisältää Foundation Fieldbus kenttäväylän käyttämistä toimilohkoista ainostaan DI-, DO-, AI- ja AO-toiminnot.
20 Taulukko 2. Foundation Fieldbus -kenttäväylän sisältämät toimilohkot. [21] Toimilohkon nimi Analog Input Analog Output Bias/Gain Control Selector Discrete Input Discrete Output Manual Loader Proportional/Derivative Proportional/Integral/Derivative Ratio Device Control Output Splitter Signal Characterizer Lead Lag Deadtime Integrator (Totalizer) Setpoint Ramp Generator Input Selector Arithmetic Timer Analog Alarm Multiple Analog Input Multiple Analog Output Multiple Discrete Input Multiple Discrete Output Symboli AI AO BG CS DI DO ML PD PID RA DC OS SC LL DT IT SPG IS AR TMR AAL MAI MAO MDI MDO 3.4. Foundation Fieldbus ja Profibus PA instrumenttien saatavuus Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylille on saatavilla runsaasti eri valmistajien kenttälaitteita moneen eri tarkoitukseen. Liitteen B taulukossa on esitetty kaikki valmistajat, ja heidän tarjoamien vaihtoehtojen lukumäärät Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylille. Taulukko on koottu Fieldbus Foundation korporaation ja PI-yhteisön kotisivuilta löytyvien laitetietokantojen pohjalta. Tietokantojen sisältämät laitteet on jaettu instrumenttiluokkiin hieman eri tavalla, minkä vuoksi taulukkoon on kerätty ainoastaan keskenään vertailukelpoiset
21 instrumenttiluokat. Vertailtaviksi instrumenttiluokiksi valittiin paineenmittaus, pinnanmittaus, virtausmittaus ja analysaattorit. Taulukosta havaitaan, että tällä hetkellä Foundation Fieldbus kenttäväylälle on valittujen instrumenttiluokkien joukosta tarjolla runsaammin vaihtoehtoja. Yhteensä Foundation Fieldbus kenttäväylälle on saatavilla 145 instrumenttia. Profibus PA kenttäväylälle saatavilla olevia instrumentteja on yhteensä 120. [24, 25] 3.5. Kenttäväylien markkinakatsaus ARC Advisory Gruop suorittaa markkinatutkimuksia eri teollisuusaloihin liittyen. Kuvassa 8 on nähtävillä vuoden 2005 ARC-markkinatutkimuksen näkemys kahden suosituimman kenttäväylätekniikan maantieteellisestä jakautumisesta. Vuoden 2005 kenttäväylien markkinatutkimuksen tulosten perusteella voidaan havaita, että Foundation Fieldbus ja Profibus-kenttäväylien kesken on nähtävissä selkeää maantieteellistä jakautumista. Pohjois-Amerikassa Foundation Fieldbus kenttäväylä on selkeästi suositumpi kuin Profibus. Sen sijaan Länsi-Euroopassa, Aasiassa ja Etelä- Amerikassa markkinoita hallitsee selkeästi Profibus-kenttäväylä.
22 Kuva 8. Vuoden 2005 ARC-markkinakatsauksen näkemys kahden suosituimman kenttäväylätekniikan maantieteellisestä jakautumisesta. Kuvassa on esitetty, kuinka pelkästään Foundation Fieldbus kenttävylän ja pelkästään Profibus-kenttävylän prosentuaaliset käyttäjämäärät ovat jakautuneet mantereittain. [26] Huomionarvoista on se, että Profibus-kenttäväylän käyttäjiä on Pohjois-Amerikassa 27 %, mutta Foundation Fieldbus kenttäväylän käyttäjiä on Länsi-Euroopassa ainoastaan 5 %. Vuoden 2005 markkinatutkimuksen mukaan Profibus näyttäisi olevan maailmanlaajuisesti suositumpi kenttäväylätekniikka. Sen sijaan Pohjois-Amerikassa Foundation Fieldbus kenttäväylä on merkittävästi suosituin.
23 4. Borealis Polymers Oy:n tiedonsiirtojärjestelmät 4.1. Borealis Polymers Oy yleisesti Borealis Polymers Oy on prosessiteollisuusyritys, joka valmistaa raakaöljystä muovin raaka-aineita. Borealiksen tarjoamiin tuotteisiin kuuluvat polyeteeni- ja polypropeenipohjaiset muovituotteet, joita käytetään muun muassa kaapelieristeinä, autojen osissa, elintarvikepakkauksissa, putkimateriaaleissa, päällystysmateriaaleissa ja muovikasseissa. Yhtiön omistavat Arabiemiirikuntien Abu Dhabin hallituksen kontrolloima International Petroleum Investment Company (IPIC) ja Keski-Euroopan johtava öljy- ja kaasuyhtiö OMV Aktiengesellschaft. IPIC omistaa yhtiöstä 64 %, OMV Aktiengesellschaft omistaa loput 36 %. Porvoon Kilpilahdessa sijaitseva Borealis Polymers Oy:n yksikkö on toiminut vuodesta 1971 lähtien, ja se on koko yhtiön pohjoisin tuotantoyksikkö. Kilpilahden tehdasalue on nähtävissä kuvassa 9. Pinta-alaltaan noin 1300 ha:n laajuinen teollisuusalue koostuu viidestä laitoksesta, joita ovat yksi polypropeenilaitos, kaksi polyeteenilaitosta, olefiinituotantoon erikoistunut cracker-laitos sekä fenoli- ja aromaattituotantoon tarkoitettu laitos. Lisäksi Kilpilahdessa on Borealiksen innovaatiokeskus, jossa suoritetaan katalyytti- ja prosessitutkimuksia. Porvoon yksikkö toimii Itä-Euroopan ja Venäjän teollisuusmarkkinoilla. [27]
24 Kuva 9. Borealis Polymers Oy:n teollisuusalue Porvoon Kilpilahdessa. [27] 4.2. Haastattelu Porvoon yksikön tiedonsiirtojärjestelmistä Kilpilahden teollisuusalueella sijaitsevan olefiiniyksikön automaatioinsinöörinä toimivan Mikko Röngän mukaan heillä ei ole käytössä prosessiautomaation kenttäväyliä, kuten esimerkiksi Profibus PA ja Foundation Fieldbus. Heillä prosessiautomaation tiedonsiirto on toteutettu pääasiassa HART-tuen sisältävää, perinteistä 4 20 ma:n virtaviestiä käyttäen. HART (High Addressable Remote Transducer) on monien maailmanlaajuisten valmistajien hyväksymä tiedonsiirtotekniikkastandardi, joka lisää kaksisuuntaisen, digitaalisen signaalin analogisen 4 20 ma signaalin päälle. Tämän vuoksi kenttälaitteiden diagnostiikkatietojen lukeminen on mahdollista erillisiä HART-työkaluja käyttäen. HART-tekniikan digitaalisuus toteutetaan taajuusmodulaation avulla, missä arvoa 0 vastaa taajuus 1200 Hz. Arvoa 1 vastaa taajuus 2200 Hz. Digitaalinen signaali ei häiritse analogisen signaalin toimintaa, koska taajuusmodulaatiossa käytetyn siniaallon keskiarvo on nolla. [2]. Instrumentointihenkilökunnan tavoitteena olisi Röngän mukaan päästä operoimaan kaikkia HART-laitteita automaatiojärjestelmästä käsin, jotta voitaisiin lukea kenttälaitteiden diagnostiikkatietoja. Tällä hetkellä järjestelmässä ei kuitenkaan ole vielä valmiutta siihen, koska sopivantyyppistä liityntäkorttia ei ole tarjolla. Kuvassa
25 10 on nähtävillä työtilanne, jossa HART-tekniikkaa käytetään venttiilien diagnosointiin. Kuva 10. Venttiilien diagnosointia HART-tekniikkaa käyttäen. Röngän mukaan toinen heidän käyttämänsä tiedonsiirtotekniikka on Modbus, jota käytetään esimerkiksi merivesipumppujen kunnonvalvontatietojen ja vedynpuhdistusyksikön mittaustietojen siirtämiseen. Merivesipumppaamolla on muun muassa värinäantureita, joiden mittaustieto tuodaan Modbus-väylän avulla varsinaiseen automaatiojärjestelmään. Lisäksi Modbus-tekniikkaa käytetään eri järjestelmien välisenä linkkinä, esimerkiksi PLC-kommunikointiin automaatiojärjestelmän välillä. Kyse on Röngän mukaan raa asta tiedonsiirrosta. Vedynpuhdistusyksikön logiikkakaappi on nähtävissä kuvassa 11.
26 Kuva 11. Vedynpuhdistuslaitoksen logiikkakaappi. Olefiiniyksikön vieressä sijaitsevalla cracker-laitoksella käytetään vastaavanlaiseen tarkoitukseen Profibus DP:tä. Mikko Röngän kertoman mukaan Profibus DP on otettu käyttöön, koska cracker-laitokselle on tilattu uuni pakettitoimituksena vuosia sitten, jolloin Profibus DP on ollut toimittajan tarjoama vaihtoehto tiedonsiirron toteuttamiseksi. Vaikka Borealis Polymers Oy ei käytäkään prosessiautomaation kenttäväyliä, on heillä Röngän mukaan käytössä Metso-konsernin suunnittelema automaatiojärjestelmä, joka mahdollistaa liitynnän lähes kaikkiin eri tiedonsiirtotekniikoihin. Mikko Röngän mukaan yksi tärkeimpiä syitä siihen, miksi Borealis Polymers Oy ei käytä Profibus PA tai Foundation Fieldbus kenttäväyliä on se, että koko prosessialue on 1970-luvulla rakennettu 4 20 ma tekniikalla, minkä vuoksi edullisin ja luontevin vaihtoehto tiedonsiirron nykyaikaistamiseksi on ollut HART-tekniikan rakentaminen vanhan tiedonsiirtojärjestelmän päälle. Tämä johtuu siitä, että HART-
27 tekniikka käyttää perustanaan analogista virtaviestitekniikkaa, ja lisää digitaalisen signaalin häiritsemättä analogista signaalia. Lisäksi Röngän mukaan HART-laitteiden saatavuus on tällä hetkellä paras, ja niiden hinta on hieman edullisempi kuin kenttäväylälaitteiden. Borealiksen prosessialue asettaa Röngän mukaan tiedonsiirtotekniikalle hyvin suuria vaatimuksia, koska koko prosessi sijaitsee ulkona hyvin laajalla alueella, ja se sisältää erittäin kuumia ja kylmiä kokonaisuuksia. Lisäksi prosessin aikana käsitellään räjähdysherkkiä aineita, minkä vuoksi Borealis käyttää Exi-suojattuja laitteita. Röngän arvion mukaan kenttäväylän hyödyt olisivat heidän käytössään marginaalisia, koska räjähdysherkkien tilojen kenttäväyläsegmenttiin liitettävien laitteiden lukumäärä rajoittuu valmistajan suositusten vuoksi melko pieneksi. Tällöin voitaisiin tehdä vain muutaman kenttälaitteen sisältäviä segmenttejä, mikä pienentäisi kenttäväylien mahdollistaman kaapeloinnin vähentämisen hyötyjä. Borealiksen käyttämät tiedonsiirtotekniikat ovat Röngän kertoman mukaan koeteltua ja toimivaa tekniikkaa, josta löytyy paljon osaamista sekä heidän omalta henkilökunnaltaan että laitetoimittajilta. Lisäksi Boreliksen prosessiasemien luotettavuus on varmistettu kahdennuksella, mikä tarkoittaa sitä, että kahdennetuista prosessiasemista toisen rikkoutuessa toimintakuntoinen prosessiasema jatkaa toimintaansa automaattisesti. Röngän mukaan ainoa asia, joka tällöin ilmenee, on operaattorille näkyvä hälytys. Sen sijaan korttivikoja Röngän mukaan on, mutta laitteistoja sopivasti hajauttamalla voidaan välttää ongelmia. Tällöin samalle kortille ei sijoiteta liikaa samaan asiaan vaikuttavia asioita. Huonoina puolina heidän käyttämissään tiedonsiirtoratkaisuissa Rönkä näkee muun muassa sen, että perinteisessä 4 20 ma -tiedonsiirtotekniikassa ristikytkennän koko laajenee helposti suureksi, jolloin tarvitaan paljon ristikytkentätilaa, ja kaapelointikustannukset ovat melko suuret. Lisäksi Borealiksen prosessialueella on valtavia kentälle kulkevia, maanalaisia kaapelikanavia. Niiden muuttaminen on Röngän mukaan hankalaa. Jos ilmenee tarvetta uuden linjan rakentamiselle, on ensiksi avattava isot kaapelikanavat, joissa on paksu hiekkatäyttö kaapeleiden päällä. Tällöin pelkällä maansiirrolla on suuri työllistävä vaikutus, koska täyttöhiekka on saatava siirrettyä pois, jotta kaapeleita pystyttäisiin operoimaan kentälle, ristikytkentään ja automaatiojärjestelmään. Toinen haittapuoli Röngän mukaan on se, että perinteinen
28 ma-signaali on vain yksisuuntainen, jolloin kyetään havaitsemaan lähetettävä signaali, mutta ei pystytä tulkitsemaan, millaisena signaali saapuu perille, ja mitä se saa aikaan. HART-tekniikan kautta ongelmaa voidaan hieman korjata, koska laitteelta voidaan käydä lukemassa instrumentin tilaa ja signaalin laatua. Röngän mukaan kenttäväylät toisivat tähän tarkoitukseen paljon parannusta, koska tällöin kyettäisiin saamaan enemmän diagnostiikkatietoja automaatiojärjestelmästä käsin. Kuvassa 12 on nähtävillä 4-20 ma tekniikalla toteutetun tiedonsiirron ristiinkytkentä. Kuva 12. Analogisella 4 20 ma -tekniikalla toteutetun tiedonsiirron ristiinkytkentäkaappi. Kuvasta on nähtävissä se, että analogisen tekniikan ristiinkytkennät vaativat paljon tilaa ja tarkkaa dokumentaatiota. On vaikea kysymys, että lähtisinkö järjestelmää toteuttamaan kenttäväylin vai en, jos tehtäisiin ihan uutta laitosta. Todennäköisesti en, vastaa Mikko Rönkä kysyttäessä, kuinka hän rakentaisi prosessialueen tiedonsiirron uudelleen, jos siihen olisi tilaisuus. Röngän mukaan hänen tiedonsiirtoratkaisunsa koostuisi HART-laitteista, joiden
29 hallinta olisi keskitettyä. Hän toteuttaisi järjestelmän siten, että kaikki I/O-kytkennät eivät olisi keskitetysti samassa paikassa, vaan kyseessä olisi puolihajautettu ratkaisu. Kaiken muun tiedonsiirron järjestelmien välillä Rönkä toteuttaisi Ethernetpohjaisesti, ja samalla kaikki pyrittäisiin integroimaan samaan automaatiojärjestelmään. Tällöin kaikkea hallittaisiin samasta käyttöliittymästä käsin. Röngän mukaan olisi hyvin tärkeää, että henkilökunnalla olisi vain yksi työkalu opeteltavana nykyisten useiden sijaan. Se aina helpottaa, että on yksi työkalu opeteltavana, eikä niitä kahtakymmentä erilaista työkalua. Sillä on iso merkitys, perustelee Rönkä näkemystään. Röngän mukaan tähän mennessä Borealiksella on oltu melko varovaisia uusien tiedonsiirtotekniikoiden kokeilemisessa. Lisäksi Röngän mukaan tuotannon työtehtäviä on niin paljon, että uusien tekniikoiden kokeilemiseen ei ole ollut resursseja. Jos haluttaisiin kokeilla kenttäväyliä, niin käytännössä se tarkoittaisi sitä, että jos meillä otettaisiin käyttöön joku uusi yksittäinen prosessialue, tai joutuisimme uusimaan jonkin erillisen prosessialueen instrumentoinnin, niin siinä tapauksessa kenttäväylien kokeilemista voitaisiin harkita, toteaa Rönkä. Tällöin kyseessä olisi Röngän mukaan oma prosessikokonaisuus, koska uusien kenttäväylätekniikoiden asentaminen nykyisten prosessien sekaan olisi liian riskialtista. Borealiksen instrumentointihenkilökunta on Röngän kertoman mukaan miettinyt mahdollisuuksia siirtyä käyttämään langattomia tiedonsiirtotekniikoita tulevaisuudessa. Ensin on kuitenkin tarkasti mietittävä ja tutkittava tekniikan luotettavuus ja toimintakyky Kilpilahden teollisuusalueen vaatimilla etäisyyksillä. Röngän mukaan langattomat järjestelmät rakentuvat joko HART-tekniikan päälle, tai niille kehitetään aivan oma standardi. Rönkä arvioi, että langattomiin tiedonsiirtotekniikoihin siirtyminen olisi todennäköisesti kenttäväyliin siirtymistä helpompaa. Hänen mukaansa tiedonsiirto voitaisiin toteuttaa esimerkiksi niin, että hankittaisiin langattomia kenttälaitteita, jotka kommunikoisivat tukiaseman kautta. Tukiasema puolestaan yhdistettäisiin automaatiojärjestelmään esimerkiksi Modbus-väylän kautta. Röngän mukaan kiinnostusta langattomiin järjestelmiin olisi, mutta asia on vielä liian nuori. Todennäköisesti Borealis odottaa vielä muutamia vuosia laitteiden standardointeja, jolloin laitteiden ostaminen on mahdollista muiltakin kuin yhdeltä valmistajalta.
30 Saattaa olla mahdollista, että kokeilemme joitain langattomia ratkaisuja muutaman vuoden sisällä. Ne eivät todennäköisesti liittyisi kuitenkaan säätöön, vaan olisivat jonkinlaisia lisämittauksia varten, toteaa Rönkä. [28] 5. Johtopäätökset Teollisuudessa käytettyjen tiedonsiirtotekniikoiden kehittyminen on johtanut useisiin eri kenttäväylästandardeihin. Valmistajien tekemistä lukuisista eri ehdotuksista on tehty kansallisia standardeja, mikä on johtanut siihen, että yhdestä kansainvälisestä standardista ei ole päästy yksimielisyyteen. Prosessiteollisuuden tiedonsiirrossa kahdeksi suosituimmaksi kenttäväylästandardiksi ovat nousseet Foundation Fieldbus ja Profibus PA. Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylien läheisempi tarkastelu osoitti, että ne eroavat toisistaan pääasiassa siten, että Foundation Filedbus kenttäväylä mahdollistaa kenttälaitteiden keskinäisen kommunikoinnin. Lisäksi Foundation Filedbus kenttäväylän toimilohko sisältää enemmän toimintoja, minkä vuoksi älykkäiden kenttälaitteiden ominaisuuksia voidaan hyödyntää esimerkiksi säädön hajauttamisessa. Tiedonsiirtonopeudet, suurin yhteen segmenttiin liitettävien laitteiden lukumäärä ja suurin mahdollinen segmentin pituus ovat sekä Foundation Fieldbus että Profibus PA kenttäväylissä pääosin samanlaiset. Työssä tehtiin markkinakatsaus, joka osoitti, että Foundation Fieldbus kenttäväylä on selkeästi suosituin Pohjois-Amerikan markkinoilla. Profibus PA kenttäväylä osoittautui suosituimmaksi Länsi-Euroopan markkinoilla. Työn aikana tehtiin myös selvitys Foundation Fieldbus ja Profibus PA kenttäväylille saatavilla olevista instrumenteista. Selvitys osoitti, että Foundation Fieldbus kenttäväylälle on tarjolla enemmän automaatioinstrumentteja. Foundation Fielbus yhteensopivia instrumentteja valmistavien yritysten on hyväksytettävä tuotteensa Fieldbus Foundation korporaatiolla, ennen kuin instrumentteja voidaan markkinoida Foundation Fieldbus -yhteensopivina.
31 Työn aikana tehdyn haastattelun perusteella teollisuuden käyttämät tiedonsiirtotekniikat ovat vahvasti sidoksissa teollisuusprosessin määrittelemiin olosuhteisiin ja kokoon. Etenkin ulkona laajalla alalla sijaitsevien ja vaativia olosuhteita tekniikan toimivuuden kannalta sisältävien prosessien yhteydessä on perusteltua käyttää kokeiltua ja luotettavaa tiedonsiirtotekniikkaa. Luotettavuuden ja toimivuuden lisäksi teollisuudessa käytettävien tiedonsiirtotekniikoiden valintaan vaikuttavat oleellisesti tekniikan asennuksesta, ylläpitämisestä ja koulutuksesta aiheutuvat kulut. Haastattelussa esille nousseet langattomat tiedonsiirtotekniikat tuntuvat kiinnostavan prosessiteollisuusammattilaisia erityisesti niiden langattomuuden ja asennuksen helppouden vuoksi. Langattomien tekniikoiden käyttökokemukset ja standardointityö ovat vielä varsin vähäisiä, minkä vuoksi teollisuudessa luottamus perinteisiin tekniikoihin on suuri. Etenkin analogisen 4 20 ma tekniikan päälle helposti asennettavissa oleva HART-tekniikka on vaativien teollisuusprosessien parissa työskentelevien ammattilaisten suosiossa. Tämän vuoksi kenttäväylien voidaan katsoa olevan käytännöllisempiä esimerkiksi sisätiloihin sijoitettujen ja olosuhteiltaan yksinkertaisempien teollisuusprosessien yhteydessä käytettynä.