Вопрос №3. Выбор датчиков полевого уровня. ПИП и ВИП. HART датчики. IQ уровень измерительного устройства. Ограничения расстояния соединений датчиков с контроллерным оборудованием.
Выбор датчиков технологических параметров осуществлялся согласно стандартам и требованиям предприятия с учетом ряда факторов метрологического и режимного характера, наиболее существенные из которых следующие:
1. Расстояние, на которое может быть передана информация, снимаемая с датчиков (интерфейс связи датчика).
2. Предельное значение измеряемой величины и других параметров среды.
3. Допустимая для АС погрешность, определяющая подбор по классу точности датчика.
4. Инерционность датчика, характеризуемая его постоянной времени.
5. Влияние внешних факторов (температуры, давления, влажности, вибраций, магнитных и электрических полей, радиационного излучения) на нормальную работу датчиков.
6. Возможность применения датчика с точки зрения пожаро- и взрывобезопасности.
У устройств получения информации о состоянии технологического процесса выделяют первичный измерительный преобразователь (ПИП) и вторичный измерительный преобразователь (ВИП), которые связываются между собой посредством проводов и интерфейсов. ПИП преобразуют измеряемый параметр в удобный для передачи и обработки сигнал. Эти устройства устанавливаются на объекте и непосредственно взаимодействуют с регулируемым параметром и контролируемой средой. Различают следующие основные выходные сигналы первичных измерительных приборов:
– ПИП с токовым аналоговым выходом;
– ПИП с цифровым выходным сигналом;
– ПИП с импульсным (счетным) выходным сигналом;
– ПИП с дифференциально-трансформаторным сигналом.
ПИП с дифференциально-трансформаторным сигналом (индуктивной связью) являются устаревшими приборами и в большинстве случаев подлежат замене на ПИП с токовым или цифровым выходом.
Импульсный выходной сигнал ПИПпредставляет собой импульс 5 В постоянного тока или импульс используемого входного напряжения питания, которое может быть от 8 до 28 В постоянного тока.
ПИП с токовым аналоговым выходомимеют встроенный источник тока – генератор тока с некоторым внутренним сопротивлением RВН. Источник тока управляется функцией f(x) измерения параметра х(рисунок 19). Ток i = f(x) поступает в линию связи и на входном нагрузочном резисторе RН вторичного преобразователя создает соответствующее падение напряжения, которое далее преобразуется в цифровое значение измеряемого параметра х. ПИП данного вида имеют, как правило, унифицированные выходные сигналы постоянного тока в диапазонах {0–5}, {0–20} или {4–20} мA.
Максимально допустимая длина линии связи между ПИП и ВИП зависит от величины внутреннего сопротивления RВН ПИП, активного сопротивления RЛ линии связи, входного сопротивления RН ВИП, ожидаемого уровня помехи и, как правило, не превышает несколько десятков метров. Число проводов связи между ПИП и ВИП – 2, 3 или 4.
Рисунок 19. Двухпроводная токовая связь ПИП и ВИП
Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ 26.011–80. Среди стандартных сигналов тока и напряжения наиболее удобным и популярным является токовый сигнал 4–20 мА.
ПИП с цифровым выходным сигналом имеют, как правило, гальванически развязанный выход с открытым коллектором транзистора или релейным «сухим» контактом, питание которого производится со стороны источника тока, встроенного в ВИП. При этом, в зависимости от того, закрыт или открыт выход ПИП, величина тока в линии связи имеет значение iмин или iмакс, что определяется дискретным характером процесса измерения преобразователем параметровэнергоносителя. Последовательность «замыканий/размыканий» выходной цепи ПИП порождает на входе ВИП последовательность токовых двоичных импульсов («0», «1») определенной частоты и длительности, которая используется либо для цифрового представления измеряемого параметра х, либо для дискретного представления (например, норм/авар, вкл/выкл). Обычно ток в линии связи не превышает 10–20 мA. Максимально допустимая длина линии связи зависит от величины тока ВИП, активного сопротивления линии и может доходить до 3–5 км.
Цифровой ПИПможет иметь следующие наиболее распространенные физические интерфейсы: ПИП с токовой петлей (CL); ПИП с выходом RS-232, RS-485; ПИП с HART-выходом; ПИП с полевой шиной (PB или FB); ПИП с CAN.
ПИП с токовой петлей(CL)относится к классу универсальных двухточечных радиальных интерфейсов удаленного последовательного доступа к системам. Последовательные данные от источника к приемнику (рисунок 21) передаются побитно и побайтно асинхронным способом сигналами постоянного тока i = 20 мA. Ток, превышающий 17 мA, представляет логическую «1» (маркер), а ток, меньший, чем 2 мA, – логический «0» (пробел).
Рисунок 21. Соединение ВИП с компьютером линией связи типа CL
Максимальная скорость передачи сигналов по токовой петле – 9600 бит/с при длине линии связи до 300 м, на скорости 1200 бит/с длина линии увеличивается до 2000 м.
Интерфейс ПИП с RS-232 применим для установления синхронной и асинхронной связи только между двумя устройствами в симплексном, полудуплексном (двухпроводный вариант) и дуплексном режимах (четырехпроводный вариант). Скорость передачи данных по интерфейсу RS-232C составляет от 50 до 19200 бит/с. Максимальная длина линий связи при максимальной скорости не превышает 16 м. Формат передачи данных определяется выбираемым протоколом связи. Типичный формат асинхронной передачи данных по этому интерфейсу представляет собой следующий пакет: байт данных оформляется стартовым битом, необязательным битом паритета и стоповым битом. Любое сообщение, передаваемое по интерфейсу асинхронным способом, представляет совокупность байтов данных, оформленных указанным образом. Сигналы этого интерфейса передаются перепадами напряжения величиной (3–15) В.
Интерфейс ПИП с RS-485ориентирован при 1 Мбит скорости передачи на совместную работу до 32 источников и 32 приемников данных.
Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными перепадами напряжения величиной (0,2–8) В, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км. Типичным форматом протокола связи является протокол из семейства ModBus.
Интерфейс HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный фирмой Rosemount Inc. основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции (Frequency Shift Keying, FSK), в соответствии с широко распространенным коммуникационным стандартом Bell 202. Цифровая информация передаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал 4-20 мА (рис. 2.8).
Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при применении соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал 4-20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с. Каждый HART-компонент требует для цифровой передачи соответствующего модема.
Схема взаимоотношения между узлами сети основана на принципе MASTER/SLAVE. Стандартная топология HART-сети передачи данных – «звезда», но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима:
1) асинхронный: по схеме «MASTER-запрос – SLAVE-ответ» (один цикл укладывается в 500 мс);
2) синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные MASTER-узлу (время обновления данных в MASTER-узле за 250–300 мс).
Каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние. Контроль корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения.
CAN интерфейс.В качестве физической среды, в основном, используется двухпроводная дифференциальная линия, хотя возможно применение оптоволокна или радиоканала. Максимальная скорость передачи достигает 1 Мбит/с на длине линии связи до 30 м. На длине до 5 км скорость не превышает 10 Кбит/с. Сеть CAN основана на шинной топологии, что позволяет достаточно просто подключать/отключать новые устройства (например, датчики). Хотя, с другой стороны, шинная топология не удобна в случаях изменения мест подключения устройств и плоха в случаях ее обрыва, как в смысле последствий, так и поиска повреждений и их устранения.
Интерфейс Foundation Fieldbus и Profibusчасто реализуются на основе электрической сети с шинной топологией. Для передачи сигналов используют экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485. Однако сеть PROFIBUS-PA основана на реализации стандарта IEC1158-2 и используется для передачи данных во взрывоопасных средах. Она может использоваться в качестве замены старой аналоговой технологии 4–20 мА. Для коммутации устройств нужна всего одна витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для подвода питания к устройствам полевого уровня.
Современные датчики оснащаются IQ (Intellect Quality)-сенсорными устройствами, которые позволяют за счет математической обработки информации непосредственно в процессе измерения и активного управления измерением повысить точность, осуществлять необходимую диагностику состояния датчиков и активно перенастраивать их режим работы. Основными областями применения IQ-сенсорных устройств являются технологические установки и системы автоматизации:
– с высокими требованиями к коэффициенту готовности системы;
– с высокой вероятностью взаимного влияния датчиков;
– с высокими требованиями к динамической перенастройке параметров датчиков во время работы.
Для этих целей в последнее время применяются специальные IQ-модули. Например, модуль IQ-Sense имеет следующие основные характеристики:
– простое подключение внешних цепей;
– быстрый ввод в эксплуатацию;
– предварительная настройка параметров датчика;
– динамическое изменение параметров настройки датчиков из программы контроллера;
– высокая степень готовности;
– диагностика каналов.