Интеллектуальные датчики как часть системы контроля и управления

Обычный датчик предыдущего поколения, не имеющий в своем составе микропроцессор, соединяется отдельной линией (обычно, контрольным кабелем) с блоком ввода/вывода контроллера. По этой линии низковольтный аналоговый или частотно-импульсный выходной сигнал датчика поступает в систему автоматизации, где он преобразуется в цифровую форму и подвергается необходимой вычислительной и/или логической обработке. Никакие другие сигналы по данной линии ни от датчика к контроллеру, ни от контроллера к датчику не проходят.

Современные интеллектуальные датчики связываются с различными средствами автоматики (не обязательно только с контроллерами) иногда через аналоговые, но большей частью через цифровые полевые сети. При этом использование цифровой полевой сети позволяет по одной линии передавать выходные сигналы ряда датчиков, в необходимых случаях переносить различные сообщения от датчиков и к ним, производить дистанционное питание датчиков.

Для того, чтобы средства автоматизации (в том числе, датчики) разных производителей могли контактировать друг с другом через полевые сети, последние должны быть стандартизированы (де-факто или де-юре) и эти стандарты должны признаваться и использоваться большинством производителей средств. Использование стандартов заключается в том, что производители в выпускаемых ими средствах предусматривают программные и технические интерфейсы к тем или иным (или всем) стандартным полевым сетям.

По международной классификации полевые сети не выделяются в отдельный класс, а входят в общий класс промышленных сетей. В 1999 году был принят международный стандарт на промышленные сети IЕС 61158. Однако в этом стандарте не удалось добиться согласования мнения разных стран и ведущих в области средств автоматизации фирм и поэтому в нем признаны стандартными восемь независимых и несовместных коммуникационных технологий. Фактически (независимо от принятого международного стандарта) подавляющее число производителей средств автоматики поддерживают три стандарта полевых сетей: сеть с HART-протоколом, Profibus, Foundation Fieldbus. Первая сеть зафиксирована в американском стандарте, а две остальных входят в указанный международный стандарт.

Стандартная сеть с HART-протоколом.

Наиболее широко распространенный, достаточно простой, давно устоявшийся и поддерживаемый подавляющим большинством фирм, выпускающих как контроллеры, так и интеллектуальные приборы - протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer) был разработан фирмой Rosemount в середине 80-х годов и стандартизирован в Америке. Технология использования протокола, координация и поддержка его применения обеспечиваются независимым Фондом HART коммуникаций. Подавляющее большинство ведущих производителей контроллеров и интеллектуальных приборов в разных странах поддерживают этот протокол.

Протокол основан на аналоговой 4-20 ма - технологии. Он нацелен на связь контроллера с интеллектуальными приборами и имеет два варианта их связи.

При первом варианте реализуется связь каждого прибора с контроллером по отдельной паре проводов, по которой могут проходить как аналоговый (например, 4-20 ма), так и цифровые сигналы. Последние содержат дополнительную информацию о работе прибора: диапазон и единицы измерения, дату калибровки, самодиагностику и т. д.. Питание прибора осуществляется от блока питания в контроллере по этой же паре проводов.

При втором варианте связи реализуется соединение ряда приборов с контроллером по одной паре проводов, в этом случае по паре проводов могут проходить только цифровые сигналы. Следовательно, в каждом приборе аналоговые выходы должны быть преобразованы в цифровой код.

Основные характеристики сети:

-метод доступа - ведущий/ведомый. В сети может быть до двух ведущих узлов; ими бывают контроллеры и ручные коммуникаторы. Один ведущий узел реализует циклы передачи и запросы к ведомым узлам; другой (если он есть) - используется для связи сети с другой системой;

-физическая среда передачи: последовательный порт RS-232С и витая пара;

-топология сети: звезда, при соединении к контроллеру датчиков с аналоговыми выходными сигналами, шина, при цифровых выходных сигналах датчиков;

-режимы работы: асинхронный, когда ведущий узел посылает запрос, а ведомый - ответ (цикл укладывается в 500 мс); синхронный, когда ведомые узлы непрерывно передают свои данные ведущему узлу (время обновления данных в контроллере - 250-300 мс);

-при шинной архитектуре HART протокол работает в режиме моноканала (т. е. более двух устройств соединяются через один канал передачи) и к сети может быть подключено до 15 ведомых узлов (обычно подключают до 8 приборов);

-длина линии связи до 1500 м;

-скорость передачи данных - 1200 бит/с;

-протокол HART реализует по модели OSI следующие уровни: первый (физический), второй (канальный), седьмой (прикладной);

-команды от ведущих узлов могут быть трех видов: универсальные на все ведомые узлы, типовые на многие ведомые узлы и специфические на конкретные ведомые узлы;

-каждое сообщение от прибора содержит информацию двух типов: текущие данные и статус прибора. Последняя информация 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;

-за каждую посылку информации любое устройство может передать другому устройству 4 технологических переменных, а само устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

Стандартные сети PROFIBUS.

Данные сети с начала 90-х годов получают все более широкое распространение среди европейских производителей средств автоматизации. Специальная организация пользователей сетей PROFIBUS PUO (Profibus User Organization) проводит сертификацию устройств на соответствие утвержденному стандарту PROFIBUS. Более 600 заводов, исследовательских институтов, заказчиков средств автоматизации входят в эту организацию.

Использование сети на разных уровнях и в разных условиях обеспечивается тем, что сеть поддерживает три разных вида протоколов:

-протокол Profibus DP для децентрализованного соединения и быстрой коммуникации контроллеров с удаленными блоками ввода/вывода и интеллектуальными приборами;

протокол Profibus FMS для решения сложных коммуникационных задач на контроллерном уровне управления (ниже он не рассматривается, поскольку почти никогда не используется на полевом уровне);

- протокол Profibus PA для повышенных требований к безопасности.

Все три вида протокола используют общий канальный уровень (второй уровень по модели OSI), а протоколы Profibus DP и Profibus FMS имеют одинаковые первый (физический) и второй (канальный) уровни протокола.

Характеристики сети PROFIBUS-DP.

Сеть предназначена для связи выносных блоков ввода/вывода и интеллектуальных приборов с контроллерами.

Ниже перечислены основные характеристики сети.

Физически передача данных в сети осуществляется через порт RS-485 и экранированную витую пару, либо через оптоволоконный кабель.

Сеть обеспечивает любые виды соединений: шина, дерево, звезда, кольцо.

Метод доступа к сети: ведущий/ведомый. В сети возможно наличие нескольких ведущих устройств; при этом либо каждое ведущее устройство обслуживает свои ведомые, либо одно из них организует работу ведомых, а другие диагностируют, конфигурируют и производят другие фоновые операции. Записывать данные в ведомое устройство может только одно ведущее устройство. Сами ведущие узлы общаются между собою с помощью маркера.

Общее число устройств на сети до 126, из которых 32 узла могут быть ведущими.

Скорость передачи данных на витой паре варьируется от 9,6 кбит/с до 1,5 Мбита/с. При длине витой пары 200 м скорость максимальна 1,5 Мбита/с.

Длина сети на витой паре до 1,2 км или до 4,8 км с повторителями. Длина сети на оптоволокне до 23 км.

Основа работы протокола - циклический опрос ведомых устройств; кроме того, существуют ациклические функции диагностики, конфигурирования диапазонов измерения и т. п.

Передаваемые устройствами диагностические сообщения имеют три уровня иерархии: диагностика всего устройства (например, упало напряжение питания), диагностика модуля устройства (например, отказал 8-ми канальный цифровой модуль выходных сигналов), диагностика канала (например, в канале А модуля Б не проходит сигнал).

В сети реализована коррекция ошибок: в любой посылке данных 3 ошибочных бита будут обнаружены, а 1 ошибочный бит может быть восстановлен.

В каждом сеансе связи ведомое устройство может передать до 246 байт информации, обычно передается 32 байта.

При скорости 1,5 Мбит/с передача 512 бит данных, распределенных между 32 устройствами, занимает 6 мс; та же передача при скорости 0,5 Мбит/с занимает 18 мс.

Характеристики сети PROFIBUS-PA.

Специализированный протокол для передачи данных от выносных блоков ввода/вывода и интеллектуальных приборов к контроллерам во взрывоопасных средах. По протоколу канального уровня Profibus PA полностью идентичен Profibus DP, но он имеет иную физическую реализацию: безопасное низковольтное исполнение. Коммутация устройств реализуется на одной витой паре, которая одновременно используется для информационного обмена и для питания устройств. Основные области применения этого протокола - предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки.

Скорость передачи данных на витой паре до 31 Кбит/с.

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, линеаризации 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 H1 (FF H1); 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 H1.

Ниже описываются основные свойства и характеристики сети, обозначаемой как FF H1.

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 H1 - 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 H2. С помощью DD можно добавить дополнительные диагностические функции.

Характеристики сети FF H2.

Вариант сети FF H2 отличается от рассмотренного варианта FF H1 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 H1.