2.1. Выбор датчиков

В настоящее время на производстве в основном применяются аналоговые датчики с выходным унифицированным токовым сигналом на выходе 4  20 мА.

Преимущества стандарта 4  20 мА перед другими способами подключения датчиков: двухпроводная схема подключения; не требуется калибровка датчика на контроллере; высокая степень защиты от наводок с силовых кабелей; контроль короткого замыкания и обрыва цепи. Датчик подключается напрямую к контроллеру, если контроллер имеет встроенный блок питания аналоговых датчиков (рис.2). Если контроллер не имеет встроенного блока питания датчиков или его мощности не хватает для подключения датчиков, используется внешний блок питания (рис.1). Как правило, для питания датчиков используют блоки питания 24 В или 36 В, например, Метран 602, БП – 96 и т.д.

Рис. 1. Схема подключения аналогового датчика к контроллеру без встроенного блока питания аналоговых входов

Рис. 2. Схема подключения аналогового датчика к контроллеру со встроенным блоком питания аналоговых входов

Для вновь проектируемых производств целесообразно применение «интеллектуальных датчиков» с HART протоколом. Для действующих реконструируемых и модернизируемых производств целесообразно планировать переход на «интеллектуальные датчики».

Интеллектуальный датчик – это электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники. Такого рода датчики обладают способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и изменяющимся условиям окружающей среды, а также способностью контролировать свои функции и корректировать ошибки измерений.

Введем понятие HART-протокола. HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) – цифровой промышленный протокол передачи данных. HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом.

Рис. 3. Принцип обмена данными по HART-протоколу

HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод. Схема, поясняющая работу приборов по HART протоколу, представлена на рис.3.

Для передачи логической "1" HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического "0" – два неполных периода 2200 Гц.  Как видно на рисунке, HART составляющая накладывается на токовую петлю 4  20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4 ÷ 20 мА.  HART протокол построен по принципу "главный - подчиненный", то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

Рис. 4. Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом

Введем понятие HART коммуникатора. HART коммуникатор – это портативное устройство для считывания информации, удаленной настройки и конфигурирования интеллектуальных полевых приборов, поддерживающих HART-протокол. HART коммуникатор имеет доступ ко всем параметрам приборов, а также может работать в качестве вторичного мастера в АСУТП.

Введем понятие HART модема. HART модем предназначен для связи персонального компьютера или системных средств АСУТП с интеллектуальными датчиками и другими устройствами, поддерживающими HART- протокол. HART модем обеспечивает высокую надежность передачи данных и используется с программным обеспечением для настройки интеллектуальных устройств с HART- протоколом.

а) б) в)

Рис. 5. Средства коммуникации:

а − HART- модем; б − HART- коммуникатор; в − HART - мультиплексор

Обычно в аналоговой АСУТП присутствует множество интеллектуальных полевых приборов, работающих в режиме 4  20мА + HART. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков при помощи HART-коммуникатора или HART-модема требует последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 4  20 мА, идущей от соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи предлагается использовать HART-мультиплексор.

HART-мультиплексор предназначен для связи персонального компьютера или средств АСУТП с интеллектуальными датчиками и другими устройствами, поддерживающими HART-протокол. Мультиплексор имеет несколько выходов (8-ми канальный, 16-ти канальный) для подключения HART-устройств (до 15-ти устройств). Также мультиплексор обеспечивает преобразование информационного сигнала HART в цифровой сигнал интерфейса RS485 или RS232, при этом аналоговый сигнал 4  20мА может использоваться системой регистрации и управления. При использовании HART-мультиплексора затраты на кабельную продукцию существенно снижаются (рис.6).

Рис. 6. Управление полевыми приборами через мультиплексор

В многоточечном режиме датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства - 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

Рис. 7. Многоточечный режим работы датчиков

Интеллектуальный датчик может выполнять следующие функции:

– контролировать измеряемую величину, а именно преобразовывать входной сигнал в сигнал требуемого вида;

– реагировать на изменяющиеся условия в точках контроля, то есть изменение чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения выходной величины;

– преобразовывать полученный сигнал в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу к устройству обработки данных по каналу связи;

– предварительную обработку выходного сигнала;

– подавление помех;

– обеспечение и контроль собственного функционирования,

– работать в диалоговом режиме с центральной системой управления, принимать команды, передавать измеренные значения в цифровой форме, передавать сообщения об аварии (неисправности).

Таким образом, интеллектуальный датчик может передавать следующие данные:

– градуированную переменную процесса;

– состояние (статус) устройства, то есть информирует оператора об изменениях качества измерений и возможности возникновения проблем;

– идентификационный номер устройства;

– отметка времени получения информации о переменной процесса;

– серийный номер устройства;

– подтверждение действительности калибровки.

Преимущества интеллектуальных датчиков по сравнению с аналоговыми датчиками.

Использование интеллектуальных датчиков дает возможность по новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, а именно освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации.

Использование микропроцессоров в составе датчиков улучшает метрологические и эксплуатационные характеристики последних, так как интеллектуальный датчик – это совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала первичного чувствительного элемента по определенному алгоритму.

Многофункциональные датчики

Многофункциональные датчики могут одновременно фиксировать несколько параметров процесса при помощи внутренних датчиков. Например, современный кориолисовый расходомер измеряет не только расход потока, но и плотность и температуру потока.

Многосенсорные системы

В последнее время, чтобы повысить качество и доступность информации о состоянии того или иного объекта применяют многосенсорные системы, то есть состояние объекта оценивается ни по одному датчику, а по данным с нескольких одинаковых или разных датчиков. Многосенсорные системы обрабатывают сигналы от многих датчиков, причем для каждого конкретного случая вырабатывается определенный алгоритм, учитывающий специфику объекта. Многосенсорные системы незаменимы для предупреждения аварийных ситуаций.

Стандарт связи Wireless HART

Стандарт связи Wireless HART - это открытый стандарт связи, позволяющий расширить площадь действия HART. Wireless HART дает доступ к работающим автономно устройствам и позволяет без использования кабелей передавать данные с них. Устройство Wireless HART может питаться от батарей, что позволяет обойтись без протягивания кабеля Wireless HART к отдаленным станциям и удешевляет процесс установки. Сеть Wireless HART включает три типа устройства: устройства Wireless HART, адапторы и шлюзы. Устройства Wireless HART пересылает информацию в сети. Адапторы позволяют подключать проводные устройства HART к беспроводным сетям Wireless HART. Шлюзы обеспечивают коммуникацию между всеми устройствами сети. Они управляют сетью, определяют маршруты и контролируют безопасность. Чтобы настроить устройства и адапторы Wireless HART, установщик может использовать стандартный программатор HART или модем.

В последнее время низовая автоматика (датчики и регулирующие устройства с исполнительными механизмами) используют протокол Fieldbus. Протокол Fieldbus – это протокол двунаправленной связи для полевого оборудования. Протокол призван заменить аналоговую связь 4  20 мА, на которой работает в настоящее время низовая автоматика.

Использование протокола Fieldbus открывает новые возможности управления процессом:

– цифровой протокол обеспечивает точную обработку информации и строгий контроль качества информации;

– поддерживается мультиплексорная передача, что позволяет передавать параметры функциональных блоков контрольно–измерительных приборов и средств автоматизации;

– связь между контрольно–измерительными приборами позволяет реализовать автономное распределенное управление;

– возможность взаимодействия позволяет объединять в единую систему устройства от различных поставщиков;

– широкий выбор устройств от различных поставщиков позволяет сконфигурировать оптимальную систему;

– объединять можно самые разнородные системы, такие как контрольно–измерительные приборы, анализаторы и электрическое оборудование, заводскую вычислительную сеть, сочетать корпоративную бизнес–автоматизацию и офисные приложения;

– настройку и проверку оборудования можно выполнять дистанционно.

Необходимо обратить внимание, что в отличие от сигналов 4 ÷ 20 мA и HART, шина Fieldbus имеет двунаправленный характер.

Полевые шины позволяют существенно сократить число каналов ввода–вывода в систему, поскольку могут делать измерения и передачу множественных переменных процесса, одновременно производя сопутствующие вычисления, компенсацию нелинейностей и т.д.