Стандартные сети FOUNDATION FIELDBUS

Сети образованы двумя ведущими американскими ассоциациями ISP и WorldFIP, которые объединились с другими фирмами в 1994 году в ассоциацию Fieldbus Foundation. Эта ассоциация опубликовала и поддерживает" стандарт на сети и производит сертификацию устройств на соответствие стандарту. Сейчас в ассоциацию Fieldbus Foundation входят более 100 крупнейших компаний, которые представляют порядка 90% производителей средств и услуг в области автоматизации.

Нацеленность сетей - нижний уровень распределенной системы автоматизации (связь контроллеров с выносными блоками ввода/вывода и с интеллектуальными приборами) при учете специфики работы приборов во взрывоопасной среде.

Для более полного и рационального использования все возрастающей мощности микропроцессоров, встраиваемых в интеллектуальные приборы, разработана идеология Fieldbus Foundation, которая ставит своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации (фильтрации, масштабирования, линериализации и т. п.), регулирования (стабилизации, слежения, каскадного управления и т. п.), логического управления (пуска, останова, блокировки группы механизмов и т. п.) на самый нижний уровень управления: уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов. Для реализации этой идеологии разработан новый по возможностям и параметрам стандарт на полевую сеть.

Основная особенность стандарта, отличающая построенные по нему сети от всех других распространенных полевых сетей, -разработка условий работы и обмена информацией между приборами в сети при учете, что каждый прибор в сети, кроме обычных функций аналого-цифрового или цифро-аналогового преобразований может производить типовые функции контроля и управления.

Основной вариант сети - Foundation Fieldbus HI (FF HI); он реализует безопасную работу приборов во взрывоопасной среде. Кроме него существует вариант Foundation Fieldbus H2 (FF H2), в котором специфика работы приборов во взрывоопасной среде не учитывается.

Характеристики сети FF HI.

Ниже описываются основные свойства и характеристики сети, обозначаемой как FF HI.

Топология сети - шина или дерево.

Физическая среда - витая пара.

Длина линии передачи - 1,9 км.

Скорость передачи данных - 31,25 кбита/с.

Число подключаемых к сети устройств - до 32.

Сеть используется также для передачи питания от контроллера к приборам, подключенным к сети.

Протокол сети использует три уровня по модели OSI: первый (физический уровень), второй (канальный уровень) и седьмой (прикладной уровень). Кроме того, стандарт Foundation Fieldbus особое внимание обращает на пользовательский уровень (он как бы над прикладным уровнем), на котором фиксируется ряд важных функций и правил.

Метод доступа к сети - маркер. Активный планировщик связей (LAS - Link Active Scheduler), работающий как арбитр на сети, поддерживает плотный временной график периодических сообщений. Он же обеспечивает быстрый доступ к сети для высокоприоритетных асинхронных событий (сеть работает с приоритетными сообщениями). Управление сетью может быть распределено между несколькими активными планировщиками связей; они могут резервировать друг друга.

Периодический цикл передачи информации с учетом отработки в устройствах контуров управления составляет 50 мс.

Введенный в стандарт FF HI пользовательский уровень (отсутствующий в других стандартах и в модели OSI) имеет несколько важнейших черт.

Он определяет связи, с помощью которых пользователь может взаимодействовать с приборами через серию так называемых блоков, причем удобнее и скорее, чем с запросами по отдельным точкам. Пользовательский уровень может использовать три типа блоков:

-блоки приборов - описывают такие характеристики приборов как имя, производитель, номер серии и т. п.;

-блоки функций - определяют работу приборов по вводу сигналов, контролю и управлению, выводу сигналов. Всего стандарт определяет 10 базовых функциональных блоков: аналоговый вход, аналоговый выход, смещение, переключатель управления, дискретный вход, дискретный выход, ручной загрузчик, регулятор ПД, регулятор ПИД, регулятор отношения. Любые другие функциональные блоки могут быть определены конкретными производителями приборов и согласованы с ассоциацией Fieldbus Foundation;

-блоки преобразователей - расщепляют отдельные блоки функций на чтение/запись локальных входных/выходных данных.

Важно подчеркнуть, что функциональные блоки могут при их соответствующем соединении друг с другом реализовывать простейшие цепи управления как в отдельном приборе, так и распределенно через сеть в нескольких приборах.

Вторая важнейшая черта пользовательского уровня стандарта FF HI - описатели приборов (DD-Device Descriptions). DD определяет стандартное описание функций, которые можно реализовывать в приборе. Используя DD оператор может взаимодействовать с прибором: конфигурировать калибровку, менять параметры, диагностировать работу и т. п.. Механизм DD дает оператору возможность полностью определять, конкретизировать и модифицировать свойства прибора.

Для работы с функциональными блоками в приборе используется специальный язык описания устройств (DDL-Device Description Language), который специфицирован в ассоциации Fieldbus Foundation. Он описывает функциональные блоки, используется для доступа к информации в приборе и для определения дополнительных характеристик, которые можно добавить к функциональному блоку.

Используя описатели приборов DD, язык DDL позволяет оператору составлять алгоритм работы прибора и полностью контролировать его работу.

Аналогично HART протоколу в полевой сети FF HI используется понятие "статус", которое каждый цикл передается каждым прибором по сети вместе с его данными. Статус определяет оперативное состояние прибора: нормальный последовательный статус, когда данные от него могут быть использованы для вычислений и управления; нормальный непоследовательный статус, когда данные от него корректны, но с прибором связана какая-то тревога: неопределенный статус, когда данные не полностью корректны, но все же могут быть использованы; плохой статус, когда данные не могут быть использованы. Каждое значение статуса имеет 16 различных подстатусов, которые конкретизируют и диагностируют имеющийся статус, т. е. определяют уровень самодиагностики приборов FF HI. С помощью DD можно добавить дополнительные диагностические функции.

Характеристики сети FF H2.

Вариант сети FF H2 отличается от рассмотренного варианта FF HI следующими характеристиками:

-топология сети - шина;

-физическая среда - витая пара или кабель;

-длина линии передачи - 0,75 км;

-скорость передачи данных - 1,0 или 2,5 Мбита/с;

-питание приборов через шину не производится;

-сеть не предназначена для работы во взрывоопасной среде.

Остальные характеристики аналогичны сети FF HI.

Лекция 6

Перспективы развития интеллектуальных датчиков

Наблюдаемые в настоящее время тенденции развития интеллектуальных датчиков можно подразделить на ряд направлений, по каждому из которых в ведущих приборостроительных фирмах ведутся работы и появляются промышленные разработки, имеющие успешные внедрения.

Новые методы измерения.

В последние годы намечается определенная перспективная тенденция разработки таких методов измерения, которые требуют существенной вычислительной обработки, реализуемой в микропроцессорном преобразователе датчика. Основанные на этих методах сенсоры имеют следующие важные для Заказчиков свойства:

-расположение сенсора вне измеряемой среды, что существенно сказывается на расширении сферы его применения, на увеличении стабильности показаний, на облегчении установки и обслуживания, ведет к отсутствию экономических потерь при его эксплуатации;

-исключение в сенсоре любых движущихся частей (в том числе, электромеханических блоков),-что повышает надежность его работы и упрощает его обслуживание;

-отсутствие особых требований сенсора к конструкции объекта измерения и к характеру измеряемого потока в районе измерения, что расширяет возможности использования датчиков в разных местах объектов и удешевляет их установку.

Беспроводные датчики.

Экономическая и техническая перспективность использования для широко круга промышленных объектов беспроводных датчиков бесспорна. Это касается и движущихся объектов автоматизации, и объектов, имеющих значительную распределенность в пространстве. Практически, в беспроводных интеллектуальных датчиках ко всем имеющимся у них функциям добавляют функцию телемеханической радиосвязи с другими средствами автоматики (обычно, с контроллерами, также оснащенными блоками радиосвязи).

Принципиально, широкое развитие беспроводных датчиков сегодня еще сдерживается достаточно высокой стоимостью существующих систем радиосвязи. Предпосылками развития указанных типов датчиков служат с одной стороны наблюдающееся снижение стоимости радиотехнических устройств и повышение их качества, а с другой стороны возникающая экономия затрат на проводную связь.

При использовании беспроводной связи разработчиками просматриваются следующие стратегии разделения радиоканалов:

-множественный доступ во временной области (TDMA). Каждый датчик получает свой временной интервал, в течение которого он может передавать информацию;

-множественный доступ в частотной области (FDMA). Каждый датчик передает информацию на отведенной ему частоте;

-множественный доступ с кодовым разделением (CDMA). Каждый датчик имеет

свой код, причем коды не коррелированы, что позволяет подавлять любые сигналы - возмущения, которые при этом воспринимаются приемником как белый шум.

Рядом фирм намечается выпуск беспроводных датчиков и других устройств автоматики, которые будут поддерживать беспроводную технологию Bluetooth (высокопроизводительную коротковолновую радиосвязь).

Встраиваемые в оборудование миниатюрные датчики.

Очень перспективным направлением является разработка миниатюрных датчиков. Широкое распространение таких датчиков в будущем коренным образом изменит структуру нижнего уровня систем автоматизации. Оно позволит выпускать промышленное оборудование с встроенными в него датчиками, благодаря чему сами средства автоматизации станут не внешними дополнениями технологического процесса, а его неотъемлемыми частями.

Фирмами делаются пилотные разработки датчиков объемом в несколько ммЗ для измерения температуры, давления, влажности, других параметров среды. В этот объем входит как сам сенсор, так и необходимый вычислительный ресурс для преобразования измеряемого сигнала в цифровую форму, его обработки и передачи в полевую сеть. Создание миниатюрных датчиков возможно на базе ряда современных и частично новых методов измерения и параллельно ведет к увеличению точности и качества работы приборов.

Многосенсорные датчики.

Нет принципиальных трудностей в подключению к одному пребразователю нескольких сенсоров, измеряющих разные величины (в ряде датчиков это уже реализуется). В тоже время некоторые методы измерения позволяют одному сенсору определять несколько измеряемых величин (так кориолисовы расходомеры одним сенсором определяют массовый расход и плотность потока). Датчик, выдающий информацию о текущих значениях ряда измеряемых величин, во многих промышленных применениях будет и экономически и технически существенно более эффективен, чем использующаяся для этих же целей группа датчиков отдельных измеряемых величин.

Высокоинтеллектуальные датчики.

Уровень «интеллектуальности» датчиков со временем все более повышается, датчики становятся все более многофункциональными средствами автоматизации, для которых сам термин «датчик» становится все более неполным и условным. Перспективные разработки включают в себя:

-адаптивные датчики;

-датчики, прогнозирующие значения измеряемых величин;

-датчики, имеющие собственные хранилища измеряемой информации и производящие достаточно сложную и объемную обработку данных измерения;

-датчики с полной самодиагностикой. В частности, сообщающие не только о уже возникших сбоях и неисправностях, но и выдающие прогноз по их возможной некорректной работе и дающие рекомендации по их техобслуживанию;

-датчики, выполняющие все больший объем задач по расчету необходимых показателей контролируемого процесса, по обнаружению в нем заданных событий, по выполнению различных законов регулирования и логического управления.

Лекция 7