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 ПИП представляет 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 выходом имеют встроенный источник тока – генератор тока с некоторым внутренним сопротивлением R _ВН. Источник тока управляется функцией f (x) измерения параметра х (рисунок 19). Ток i = f (x) поступает в линию связи и на входном нагрузочном резисторе R _Н 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 R _ВН ПИП, активного сопротивления R _Л линии связи, входного сопротивления R _Н 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 i _мин или i _макс, 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 ПИП может 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-485 ориентирован 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 Profibus часто 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.