Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
51
ность определяется в большей степени характеристиками оборудования, использованного при определении функции влияния, и
погрешностью аппроксимации полученных результатов, чем особенностями самого средства измерения. Аналоговые средства измерений также имеют устройства компенсации влияния окружающей температуры. Но только наличие микропроцессорного
устройства позволяет учитывать функцию влияния конкретного
образца средства измерений.
Значительное снижение основной и дополнительных погрешностей, обеспечиваемых интеллектуальными средствами
измерений, делает особенно актуальным обеспечение долговременной стабильности при эксплуатации. Для средств измерений с
пределами допускаемой основной приведенной погрешности
±1,0 % изменение погрешности в пределах 0,2...0,3 %, как правило, не превышает неопределенности калибровки (поверки). В
большинстве практических приложений таким изменением погрешности при эксплуатации можно пренебречь. Более того, при
калибровке или поверке может быть учтен некоторый запас на
увеличение погрешности в процессе эксплуатации путем введения относительного контрольного допуска. В то же время для
средства измерений с пределами допускаемой приведенной основной погрешности ±0,1 % нестабильность 0,1 % должна быть
учтена при оценке погрешности в процессе эксплуатации.
Долговременная стабильность средств измерений при эксплуатации достигается путем применения соответствующих конструктивных решений, использования стабильных высококачественных материалов, проведения специальных технологических
операций (тренировок) чувствительных элементов и элементов
электроники. В схемы электронных модулей интеллектуальных
средств измерений вводятся высокостабильные элементы, которые в дальнейшем при эксплуатации используются для проведения самокалибровок (настроек) перед проведением измерений.
Такие настройки проводятся либо перед каждым измерением, либо периодически через какое-то определенное время. Тем не менее долговременная стабильность для интеллектуальных средств
измерений становится одним из основных факторов, определяющих их погрешность в реальных условиях эксплуатации. Ведущие мировые фирмы-производители средств измерений давления
и температуры нормируют долговременную стабильность.
52
Как указывалось выше, использование возможностей микро-
процессорной техники значительно повышают эксплутационные
характеристики средств измерений.
Конфигурирование интеллектуальных средств измерений
может производиться дистанционно с центрального компьютера
системы управления или специального коммуникатора.
Обеспечивается возможность работы вторичных средств из-
мерений температуры с термопреобразователями, имеющими
различные номинальные статические характеристики, а также
изменение ширины диапазона измерений.
Достоинством интеллектуальных средств измерений является
также легко выполняемая корректировка характеристики преобразования прибора (юстировка) в процессе эксплуатации по одной, двум или нескольким точкам диапазона измерений.
Наличие микропроцессорного устройства позволяет прово-
дить самодиагностику с передачей результатов в систему управления. Может быть обеспечен контроль состояния не только самих интеллектуальных устройств, но также средств измерений и
технических устройств, работающих в комплекте с ними.
Например, интеллектуальный датчик температуры Rosemount
3144P при измерении с использованием термоэлектрических преобразователей обеспечивает контроль состояния термопреобразователя путем измерения электрического сопротивления чувствительного элемента (термопары).
При измерении температуры с использованием термопреоб-
разователей сопротивления диагностика их состояния обеспечивается при использовании термопреобразователей со сдвоенными
чувствительными элементами. Состояние термопреобразователя
контролируется по изменению разницы электрических сопротивлений чувствительных элементов и соответствующих значений
температуры. В тех случаях, когда в процессе эксплуатации увеличивается вычисленная разница температур ∆Т (см. рис. 4.2),
после достижения некоторого заранее установленного предель-
ного значения ∆Т
датчик формирует сигнал дрейфа (неис-
пред
правности).
53
Рис. 4.2. Формирование сигнала неисправности термопреобразователя
Современный датчик перепада давления Rosemount 3051/3051S
собирает и анализирует информацию о шумах и изменении основной измеряемой переменной процесса. На базе данной информации датчик может делать заблаговременные выводы о возможной
закупорке импульсных линий, о кавитации в жидкости, расход которой прибор измеряет, о разрегулировании контура управления
(износе регулирующего оборудования) и т.д. и при возникновении
соответствующей предаварийной ситуации формировать цифровой диагностический сигнал в систему управления, информируя
оператора и обслуживающий персонал о возможных проблемах до
того, как они проявились и привели к выходу из строя оборудование или остановке технологического оборудования.
Наряду с совершенствованием работы самих средств измерений, дополнительные возможности позволяют сократить объем
обработки информации центральной системой управления. Обеспечивается возможность проведения косвенных измерений непосредственно одним комплексным средством измерений, например, измерение расхода методом переменного перепада давления
с использованием результатов прямых измерений перепада давления, давления и температуры. Примером такого средства измерений является датчик расхода модели Rosemount 3095 MV, блоксхема которого приведена на рис. 4.3.
Примечание. В действующем в настоящее время Федеральном законе «Об обеспечении единства измерений» дано такое определение: «Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно от средства
измерений». Таким образом, в соответствии с этим законом измерение расхода газа методом переменного перепада давления, при котором результат измерения получают непосредственно от комплексного датчика расхода, необходимо считать прямым.
54
Рис. 4.3. Блок-схема многопараметрического датчика модели 3095 MV
Цифровая
коммуникация HART
Цифроаналоговое
преобразование сигнала
Все элементы датчика размещены в одном корпусе. Для из-
мерения давления применен тензорезистивный преобразователь,
для измерения перепада давления – емкостной. Функционально
датчик делится на модуль сенсора и модуль электроники.
Модуль электроники принимает от модуля сенсора в цифро-
вой форме скорректированные значения перепада давления, давления, температуры измеряемой среды и производит расчет расхода. Выходная часть модуля преобразует цифровое значение
расхода в аналоговый сигнал (4…20) мA. Дистанционная цифровая связь выполняется путем наложения высокочастотного цифрового сигнала на основе промышленного стандартного протокола HART на аналоговый выходной сигнал.
Программное обеспечение включает в себя базу данных фи-
зических свойств более чем 110 сред. Датчик может быть запрограммирован для измерения расхода методом переменного перепада давления в комплекте со стандартными сужающими устройствами, с диафрагмами модели 1195, предназначенными для измерения расхода в трубопроводах малого диаметра при малых
числах Рейнольдса, и преобразователями расхода типа «Аннубар».
55
Неопределенность измерений расхода жидкостей и газов при
нормальных условиях в комплекте со стандартной диафрагмой и
выполнении всех требований ГОСТ 8.586–2005 находится в пре-
делах ±1,0 % в диапазоне изменения расхода Q
max
: Q
= 10:1.
min
В настоящее время все более широкое распространение в
производстве получают промышленные цифровые сети (Field
Bus). Основные причины их все более широкого применения
следующие.
Микропроцессоры и другие специализированные микросхемы стали достаточно дешевыми. Стало целесообразным выделять
в общей автоматизированной системе управления технологическим процессом АСУ ТП отдельные задачи, решение которых
поручается локальным вычислительным устройствам. За счет
этого существенно увеличиваются производительность и надежность системы управления в целом. Кроме того, современные
средства измерений и исполнительные механизмы часто уже сами являются интеллектуальными и законченными «субъектами»
промышленных сетей. Каждое средство измерений может содержать несколько десятков вспомогательных и диагностических
параметров, содержать в себе расчетные алгоритмы, собирать и
хранить архивные данные.
Цифровые сети можно разделить на 3 основных типа:
а) сети с использованием как основы стандартного аналогового интерфейса (например, 4–20 мА) с наложением на него частотного цифрового сигнала и соединенные с верхним уровнем
(или с системой управления) по принципу «точка–точка»;
б) сети с применением высокоскоростных шин, в которых
несколько средств измерений используют одну пару проводов,
подключаемую к одному порту системы управления;
в) беспроводные системы.
При использовании цифрового обмена информацией появляется возможность воспринимать данные от нескольких средств
измерений по двум проводам и по этим же проводам передавать
информацию в обратном направлении. За счет этого во много раз
снижается количество проводных соединений по сравнению с
системой управления с аналоговым интерфейсом (по принципу
«точка–точка») для соединения с приборами и исполнительными
механизмами. Соответственно значительно снижается стоимость
56
работ по установке, тестированию, вводу в эксплуатацию и техническому обслуживанию.
Нет необходимости прозванивать каждую пару подключае-
мых проводов, экономятся кабель, место, короба, клеммные коробки и, главное, время. Например, для монтажа и запуска системы управления для стандартной установки АВТ (атмосферновакуумная трубчатка), в которой обессоленная нефть подогревается и делится на светлые (бензин, керосин, дизтопливо) и темные (гудрон, масло, газойл) продукты и которая является одной
из основных на нефтеперерабатывающем заводе, в варианте всех
сигналов 4...20 мА требуется в среднем 45 дней, а для запуска
аналогичной системы с цифровым интерфейсом Foundation Fieldbus 2 недели. Также необходимо учитывать высокую вероятность
ошибки при монтаже проводников в многочисленных соединениях, сложность поиска и устранения неисправностей в традиционных аналоговых системах управления.
Отдельно стоит упомянуть о ситуации, когда в составе объ-
екта управления появляется дополнительно еще несколько входных или выходных каналов. В этом случае для системы управления с аналоговым интерфейсом необходимо добавление новых
линий связи к уже проложенной кабельной системе.
При описании цифровых сетей часто используется термин
«протокол». Коммуникационный протокол представляет собой
набор правил, применяемых при генерировании и передаче сообщения. В него могут входить характеристики правил передачи
и приема сообщений, структура сообщения, кодирование и физические характеристики сигнала.
В промышленных цифровых сетях используются различные
протоколы. Широкое применение в промышленных сетях, объединяющих различные средства измерений, нашли протоколы
HART, PROFIBUS (Process Field Bus) и FOUNDATION Fieldbus.
Далее приведена краткая информация о двух из них: HART и
FOUNDATION Fieldbus.
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transduser –
адресуемый дистанционный магистральный преобразователь) разработан в середине 80-х годов ХХ в. компанией Rosemount Inc.
Протокол HART является «открытым» и доступен для всех производителей средств измерений, желающих его использовать. В
настоящее время большинство крупнейших зарубежных произ-
57
водителей средств измерений давления, температуры и расхода, а
HART-сигнал
также ряд российских фирм выпускают приборы и измерительные преобразователи, поддерживающие HART-протокол.
Протокол первичной связи HART обеспечивает передачу
цифровой информации в двух направлениях по тем же проводам,
по которым передается аналоговый выходной сигнал 4...20 мА.
Используется принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 Бод (бит/c).
Работа средств измерений по HART-протоколу поясняется на
рис. 4.4.
Рис. 4.4. HART-сигнал
На аналоговый выходной сигнал 4...20 мА накладываются
импульсы переменного тока разной частоты с амплитудой 1 мА.
Один полный период с частотой 1200 Гц соответствует логической «1», а два неполных периода частотой 2200 Гц — логическому «0». За счет этого по одним и тем же проводам передается
аналоговый и цифровой выходной сигнал.
Так как среднее значение синусоиды за период равно нулю,
HART-сигнал не влияет на аналоговый сигнал 4…20 мА. Пульсации тока эффективно подавляются путем низкочастотной фильтрации.
В большинстве применений HART-протокол построен по
принципу «главный–подчиненный» (Master–Slave), то есть полевое устройство отвечает только по запросу главного устройства.
При эксплуатации системы главным устройством обычно бывает
система управления или другое базовое устройство. При конфи-
58
гурировании главным устройством становится ручной HART-
коммуникатор или компьютер с конфигурационным программным обеспечением и HART-модемом.
Альтернативой данной схемы (с главным и подчиненным
устройством) является пакетный режим (burst mode), в котором
прибор автоматически (без запроса от верхнего уровня) передает
пакеты из четырех параметров на верхний уровень. При этом существенно увеличивается скорость передачи информации. Обычно пакетный режим используется для многопараметрических
датчиков, например, для многопараметрического датчика расхода
Rosemount 3095 MV, измеряющего перепад на сужающем устройстве, а также давление и температуру среды, и рассчитывающего мгновенный и суммарный расход среды (газа, пара или
жидкости). Выходной сигнал 4–20 мА такого прибора обычно настраивают на мгновенный измеряемый расход, а остальные параметры передают по HART-протоколу в пакетном режиме.
Существуют два режима работы датчиков, поддерживающих
обмен данными по HART-протоколу:
1. Режим передачи цифровой информации одновременно с
аналоговым сигналом (двухточечный режим). Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HARTпротоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора
или компьютера (рис. 4.5).
При этом можно удаленно (расстояние до 1500 или даже
3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование
датчика.
2. В многоточечном режиме (моноканальная коммуникация)
к одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков
(рис. 4.6). Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в
многоточечном режиме имеют свой 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.
В этом режиме датчик передает и получает информацию толь-
ко 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.
59
Рис. 4.5. Двухточечный режим HART
Рис. 4.6. Многоточечный режим HART
Часто в аналоговой АСУ ТП присутствует множество
интеллектуальных полевых приборов, работающих в режиме
4…20 мА + HART. В этом случае удаленная настройка и конфигурирование датчиков при помощи HART-коммуникатора или
HART-модема требуют последовательного подключения коммуникационного устройства к каждой линии 4…20 мА, идущей от
соответствующих приборов. Для решения поставленной задачи
используется HART-мультиплексор. При таком подходе приборы
продолжают передавать измерительную информацию в систему
по токовому выходу 4…20 мА, а их конфигурация может быть
изменена с одного цифрового выхода управляющей системы.
Связь мультиплексора с системой управления осуществляется по
интерфейсу RS485 или RS232. При этом можно объединить в
сеть около 500 приборов (например, 30 мультиплексоров, соединенных по RS485, 16 каналов каждый).
60
Существует возможность построения с помощью мультип-
лексора цифровой системы сбора и визуализации информации
(рис. 4.7). В этом случае каждый канал мультиплексора может
опрашивать до 15 датчиков, подключенных к одной токовой петле. При таком подключении затраты на кабельную продукцию
существенно снижаются.
Рис. 4.7. Мультиплексорный режим HART
Протокол HART считается переходным. Средства измерений,
поддерживающие протокол HART, пригодны для применения как
в новых цифровых системах управления использования, так и в
старых аналоговых системах.
HART-протокол относительно медленный и не всегда в со-
стоянии обеспечить уровень помехозащищенности информации,
требуемый для промышленных сетей. Обычно его используют
для настройки прибора, передачи диагностических или аварийных сообщений и передачи дополнительной информации на
верхний уровень, но основной измеряемый параметр передают по
аналоговому сигналу.
Использование аналоговых выходных сигналов цифровых
средств измерений приводит к увеличению погрешности результата измерений за счет погрешности цифроаналогового преобразования. При этом следует также учитывать необходимость наличия аналого-цифрового преобразования в средстве измерения или
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]