Журнал «ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности)
КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

Промышленный преобразователь для контроля показателя активности ионов водорода (pH) водных растворов с HART-протоколом управления

В статье рассказано о специфике и преимуществах открытого протокола HART. Представлен промышленный преобразователь ИТ‑2512, обеспечивающий двухстороннюю цифровую связь по HART-протоколу в системах автоматического контроля и управления.

ООО «Измерительная техника», г. Москва

Izmerit_Tehnika.png

скачать pdf >>

Степень автоматизации производства возрастает, и это формирует новые требования к устройствам, входящим в системы контроля и управления технологическими процессами. В условиях широкого применения микропроцессорных технологий особенно важна возможность связи оборудования с персональным компьютером для сбора, сохранения и обработки данных о хо­де технологического процесса, а также для дистанционного управления и настройки измерительных приборов. В первую очередь это относится к различным измерительным преобразователям, а также исполнительным устройствам. Одним из видов таких приборов являются измерительные преобразователи показателя активности ионов водорода (pH) водных растворов, которые широко применяются в различных отраслях промышленности: химической, горнодобывающей, целлюлозно-бумажной, пищевой, машиностроении, энергетике, агропромышленном комплексе и др.

В большинстве эксплуатируемых систем контроля и регулирования обмен данными между датчиками, управляющими и исполнительными устройствами происходит с ограниченной скоростью и недостаточным информативным содержанием. Традиционно для передачи информации использовался аналоговый выходной сигнал постоянного то­ка. Однако на современном этапе этого уже ма­ло, требуется передача большего количества данных, соответствующего новым расширенным функциональным возможностям приборов, что может быть обеспечено только цифровыми технологиями [1].

Преимущества цифровых промышленных сетей (ЦПС) по сравнению с аналоговыми системами очевидны:
- переход на цифровую передачу данных позволяет заменить километры дорогих кабелей несколькими сотнями метров дешевой витой пары;
- ЦПС обладают большей информативностью, надежностью, гибкостью и эффективностью.

В настоящее время основной тенденцией в организации промышленных ЦПС является обеспечение передачи не только данных, но и энергии питания для оконечных устройств по общей линии. К настоящему моменту разработано несколько стандартов, учитывающих эти требования. Наиболее распространены следующие ти­пы сетевых интерфейсов, обеспечивающих одновременную передачу данных и энергии питания:
- Profibus-PA;
- Foundation Filedbus (FF);
- HART.

Технические и стоимостные различия этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего для нужд конкретного производства, является непростой задачей.

Обладающие многими достоинствами сетевые интерфейсы Profibus-PA и Foundation Filedbus имеют ограничения в применении, так как они могут быть использованы только во вновь организуемых ЦПС.

В середине 1980‑х годов американская компания Rosemount разработала систему двусторонней цифровой связи с кодировкой сигнала методом частотного сдвига (FSK), которая получила название HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer), [2]. В начале 1990‑х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом [3].

Решения, заложенные в сетевом интерфейсе HART, обладают большой гибкостью и позволяют легко встраивать его как в современные цифровые системы автоматического контроля и регулирования, так и в созданные ранее аналоговые. Это позволяет производить модернизацию ЦПС поэтапно, без замены большей части оборудования.

В системах, работающих на основе HART-протокола, цифровая связь между устройствами, передача аналогового сигнала постоянного то­ка 4–20 мА и питание приборов осуществляются по единой двухпроводной линии. Цифровая информация передается частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 1).

Ris_1.png

Рис. 1. Модуляция сигнала в HART-протоколе

Достоинством этого стандарта является простота реализации и возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на большие расстояния. В настоящее время устройства, поддерживающие HART-протокол, широко используются при создании систем АСУ ТП в теплоэнергетике, химической, пищевой и многих других отраслях промышленности. Большинство ведущих приборостроительных компаний ми­ра, таких как ABB, Endress+Hauser, Mettler Toledo, Rosemount, Siemens, Yokogawa, производят устройства с HART-протоколом управления.

Как уже упоминалось, HART-протокол является открытым, с 1993 го­да он поддерживался и распространялся специально созданной международной организацией HART Communication Foundation (HCF), объединяющей как пользователей, так и производителей HART-устройств, а также координирующей все работы, связанные с популяризацией и дальнейшим развитием HART-протокола. Она распространяла соответствующую литературу и имела банк данных с описаниями HART-приборов самых разных производителей. С 2015 го­да, после слияния Fieldbus Foundation и HART Communication Foundation, эти функции стала выполнять компания FieldComm Group.

Пример структурной схемы построения системы автоматического контроля и управления с применением HART-протокола приведен на рис. 2.

Ris_2.png

Рис. 2. Система автоматического контроля и управления с применением HART-протокола

Первоначально стандарт HART был нормирован только для применения в режиме соединения «точка – точка», затем появилась возможность применять протокол в режиме многоточечного соединения [4]. Если в системе автоматического контроля и управления используется только цифровой сигнал, а аналоговый 4–20 мА не используется, то к одной линии можно параллельно подсоединять несколько исполнительных устройств (до 15), при этом данные считываются с них последовательно (схема моноканала) (рис. 3). Такая схема может значительно сократить стоимость подключения к интерфейсным электронным модулям ввода в систему контроля и управления, а также может быть удобна в следящих системах. При использовании схемы моноканала уровень выходных аналоговых сигналов преобразователей устанавливается равным 4 мА для обеспечения их питания.

Ris_3.png

Рис. 3. Пример моноканальной системы автоматического контроля и регулирования с применением HART-протокола

Технические решения стандарта HART легли в основу промышленного преобразователя ИТ‑2512 (рис. 4), производство которого налажено в ООО «Измерительная техника».

Ris_4.jpg

Рис. 4. Промышленный преобразователь ИТ-2512

Преобразователь ИТ‑2512 предназначен для измерения электродвижущей си­лы (ЭДС) первичных измерительных преобразователей, применяемых для потенциометрических измерений, преобразования измеренной величины в значение показателя активности ионов водорода (pH), а также индикации величины ЭДС или значения pH на встроенном дисплее. В комплекте с первичным термопреобразователем сопротивления преобразователи ИТ‑2512 могут также измерять и выводить на дисплей температуру анализируемой среды.

Преобразователь формирует электрический непрерывный аналоговый выходной сигнал постоянного то­ка от 4 до 20 мА, пропорциональный pH анализируемой среды или ЭДС электродной системы, и обеспечивает двухстороннюю цифровую связь в системах автоматического контроля и управления.

Цифровая связь при применении компьютера в системе управления и регулирования техпроцесса позволяет выполнить следующие функции:
- считывание по запросу результатов измерений (в том числе температуры раствора);
- считывание и редактирование хранящихся в памяти преобразователя установочных и градуировочных констант;
- автоматическую диагностику, в том числе контроль исправности первичных измерительных преобразователей (электродов);
- управление преобразователем.

Одним из достоинств системы автоматического контроля и регулирования c HART-протоколом является то, что к одной линии связи могут быть подключены приборы разного назначения и разных производителей.

В комплекте с ИТ‑2512 поставляется компакт-диск с программным обеспечением, которое дает широкие возможности по градуировке преобразователей, представления текущих и архивных данных в ви­де таблиц и графиков, а также их передаче по се­ти компьютеров и модемным линиям связи.


Литература

1. Любашин А. Н. Остановка – Interbus // Мир компьютерной автоматизации. 1998. № 4.
2. Любашин А. Н. Первое знакомство: Краткий обзор промышленных сетей по материалам конференции FieldComms'95 // Мир компьютерной автоматизации. 1996. № 1.
3. Kriesel W., Heimbold N., Telschow D. Bus Technologien fur die Automation. – Heidelberg: Huthing, 2000.
4. HART – протокол первичной связи. Технический обзор [Электронный ресурс] / HART Communication Foundation // URL: http://www.pea.ru/fileadmin/files/emerson/HART_tekhnicheskii_obzor.pdf (дата обращения 16.08.2021).
5. Половинкин В. HART-протокол // Современные технологии автоматизации. 2002. № 1.
6. Логунцов С. В. Сетевые интерфейсы с одновременной передачей данных и энергии питания [Электронный ресурс]. URL: http://programan.narod.ru/pub/2.doc (дата обращения 16.08.2021).

Опубликовано в журнале ИСУП № 4(94)_2021

С. А. Полонский, инженер,
М. Б. Спектор, инженер,
ООО «Аквакон», г. Гомель,
Республика Беларусь,
А. В. Шавыкин, инженер,
ООО «Измерительная техника», г. Москва,
тел.: +7 (495) 232-4974,
e-mail: izmteh@izmteh.ru
сайт: izmteh.ru


Преобразователь протоколов на базе iRZ R2
Прием Modbus ASCII/RTU/TCP, МЭК 870-5-101/103/104/
Передача Modbus ASCII/RTU/TCP, МЭК 870-5-101/104
Акция 19800 за первые 30 конверторов
www.cea-energo.ru