110

10. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ НИЗОВОЙ АВТОМАТИКИ

Традиционно технические решения на уровне низовой автоматики состоят в том, что датчики, сигнализаторы и устройства управления испол-нительными механизмами подключаются к УСО радиальными цепями, включая цепи питания. На объектах с небольшим объемом автоматизации или с компактным расположением точек контроля и управления такие ре-шения являются оправданными. Но для объектов, на которых количество точек контроля и управления составляет сотни или тысячи, причем эти точки могут быть пространственно рассредоточены на больших площадях цехов, испытательных участков, протяженных ТОУ традиционное решение не эффективно из-за того, что:

– требуется большое количество кабельной продукции;

– большое количество кабельной продукции требует значительных зат-рат времени и средств на их монтаж и наладку;

– непрерывно отмечается рост стоимости кабельной продукции, отсле-живающий рыночный рост стоимости меди, поскольку в настоящее время линии связи и управления выполняются преимущественно с использова-нием медных проводов. Заметим, при этом, что рост стоимости кабельной продукции отмечается на фоне снижения стоимости микропроцессорных средств и другой электронной комплектации;

– снижается показатель надежности системы, поскольку из-за стремле- ния к экономичному использованию имеющейся кабельной продукции (отрезки кабелей разной длины и с разным количеством проводов), приме-няются промежуточные клеммники, которые увеличивают число контакт-ных соединений в цепях измерения, сигнализации, управления. Каждый дополнительный контакт – это повышение вероятности отказа цепи системы.

Указанные трудности автоматизации объектов с большим количест-вом функций и пространственной рассредоточенностью точек измерения, контроля и управления определили потребность в разработке новых техно-логий для решения задач низовой автоматики.

10.1. Промышленная сеть hart

По мере развития микроэлектроники в приборостроении получило развитие новое направление - создание интеллектуальных датчиков (ИД), под которыми понимаются программируемые устройства измерительного преобразования физической величины в электрический сигнал.

Важным достоинством применения ИД в составе АСУТП является то что ИД позволяют в условиях объекта без демонтажа датчика автомати-зированно выполнять следующие достаточно трудоемкие операции:

– настройку многодиапазонных датчиков на требуемый диапазон изме-рения физической величины (например: в некоторых газопроводах летние и зимние расходы газа отличаются на порядок, что требует использования датчиков с разными диапазонами измерения),

– изменение инерционности датчиков при выполнении преобразования входной физической величины,

– чтение паспортных данных ИД,

– проверку работоспособности ИД,

– калибровку ИД.

Перечисленные достоинства ИД потенциально способны обеспечить перспективы существенного снижения стоимости технического обслужи-вания средств измерения. Наиболее эффективная реализация этого потен-циала ожидалась в составе действующих автоматизируемых систем с боль-шим количеством датчиков. Однако именно в действующих системах это оказалось трудно реализуемым из-за того, что в них ИД должны были заменять традиционные датчики, которые подключались к УСО радиаль-ными линиями связи, а переделка действующих систем даже под перспек-тивные ИД оказалась нерентабельной.

Для реализации потенциальных возможностей ИД и обеспечения перспективы их широкого использования, в том числе и в составе дейст-вующих АСУТП, потребовалась разработка специального системотехни-ческого решения. В середине 80-х годов компания Rosemount - лидер в об-ласти разработки и производства ИД, предложила промышленную шину HART– Highway Addressable Remote Transducer (Адресуемый Дистанцион-ный Магистральный Преобразователь).Ниже характеристики HART рассмотрим в соответствии с [17].

10.1.1. При реализации соединения «точка-точка» задача внедрения ид в действующих системах ставилась так:

- обеспечить возможность замены интеллектуальными датчиками традиционных датчиков с использованием существующих двухпроводных линий связи;

• обеспечить возможность программной настройки ИД в составе сис-темы без их демонтажа. и. с использованием существующих двухпровод-ных линий связи.

Поставленная задача решена разработкой HART с топологией «точка-точка» в соответствии с рис.10.1. Как видно из рис.10.1, ИД связан с МВВ УСО двухпроводной линией связи, по который от датчика передается то-ковый сигнал в диапазоне 4…20 мА (как и в традиционном решении). Для взаимодействия оператора с ИД к существующей линии связи подключа-ется портативный HART-терминал, осуществляющий передачу и прием цифровых сигналов, позволяя считывать данные, настраивать параметры и контролировать работоспособность ИД. Независимое функционирование цепи передачи измерительного аналогового сигнала 4…20 мА от передачи цифрового сигнала достигнуто путем фильтрации цифрового сигнала H

УСО

МВВ

Линия связи, 2 провода

ART-терминала на входе МВВ.

Аналоговый сигнал 4…20 мА + цифровой сигнал

Рис.10.1. Топология «точка-точка»

По мере активного внедрения топологии «точка-точка» стало очевид-но, что HART-терминал может использоваться не только во входных це-пях измерения, но и в выходных цепях УСО, осуществляющих формиро-вание управляющего сигнала: например, - в цепи передачи аналогового сигнала 4…20мА для задания уставки «интеллектуальному» регулятору (см. рис.10.1). В этом случае через HART-терминал осуществляется воз-можность чтения параметров, характеризующих работу регулятора, выпо-лнения операций по настройке регулятора и проверки его работоспособ-ности.

В дальнейшем HART-технология автоматизации была дополнена возможностями создания многоточечных структур и оформлена в виде открытого протокола, описанного по уровням 1, 2 и 7 модели ISO/OSI.

10.1.2. Физический уровень HART реализуется с использованием 2-х проводного кабеля, по которому осуществляется и передача сигнала, и питание сетевых HART устройств. Топология линии связи может быть типа «точка-точка» по рис.10.1 или в виде магистральной структуры в соответствии с рис. 10.2.

Вспомогательный источник питания

МS1 - УСО с МВВ, поддерживающего

HART-протокол

МS2 - HART-терминал

SL1

, , , , ,

SL2

SL15

Рис. 10.2. Многоточечная топология HART

Цифровой сигнал HART в соответствии с модемным стандартом Bell 202 формируется методом частотной модуляции: логическая «1» переда-ётся частотой 1200 Гц, а логический «0» передается частотой 2200 Гц. Частотно модулированный сигнал передается со скоростью 1200 бит/с.

Максимальная длина линии связи сети HART зависит от характери-стик кабеля связи (погонные значения индуктивности и емкости) и от то-пологии. При соединении «точка-точка» в зависимости от характеристик кабеля максимальная длина линии связи может составлять 600…2000 м, а при многоточечной топологии из-за суммирования емкости всех нагрузок максимальная длина линии связи может уменьшиться до 100 м.

На рис.10.2. показано, что в HART структуре имеются два ведущих устройства (мастера) - МS1 и МS2 и до 15-ти ведомых устройств – SL. Ведущие устройства передают сигнал напряжения в диапазоне 400…600 мВ, а ведомые устройства передают токовый сигнал в диапазоне 0.8…1.2 мА. Токовый сигнал преобразуется в сигнал напряжения с помощью со-противления нагрузки линии связи (эквивалентного сопротивления всех входов, подключенных к линии связи). По этой причине в многоточечной топологии значение нагрузки линии связи ограничивается в пределах 230...1100 Ом, что обеспечивает формирование сигнала на входе приемно-го устройства в диапазоне 120…2000 мВ (рабочий диапазон -184…1320 мВ; сигналы менее 80 мВ – игнорируются).

Постоянный ток в линии связи используется только для питания каж-дого SL в пределах 4 мА. По этой причине вспомогательный источник питания по рис.11.2. должен обеспечивать нагрузку до 60 мА.