CC BY
14АВТОМАТИЗАЦИЯ
в.К. Жданкин, компания ПРОСОФТ
беспроводная технология hart становится реальностью
Беспроводная технология HART (WirelessHART™™ ) будет первым беспроводным стандартом, наиболее широко распространенным и используемым в области автоматизации технологических процессов. Разработанный фондом HART COMMUNICATION FOUNDATION (фонд HART-коммуникации - HCF) и поддерживаемый многими членами фонда HART-коммуникации, включая компанию Pepperl+Fuchs, стандарт опубликован в сентябре 2007 г. Первые прототипы продукции были представлены на выставках ISA Show 2006 в Хьюстоне (рис. 1), Interkama+ 2007 и привлекли много посетителей. На выставке ADIPEC2008 (3-6 ноября 2008г., Абу-Даби) компания Pepperl+Fuchs представила реальные образцы решений WirelessHART™™.
рис. 1. демонстрация беспроводной технологии WirelessHART на выставке ISA Show 2006 в хьюстоне
беспроводные технологии в системах автоматизации
Прежде всего должно быть установлено, что при передаче измеренных значений данных с особыми требованиями к обеспечению безопасности и данных, непосредственно связанных c управлением производственным процессом, кабель представляет наилучший доступный метод передачи сигналов. Решения на основе кабельных сетей должны иметь предпочтение перед решением на основе беспроводной технологии в ответственных системах управления. Но если на предприятии монтаж кабеля не является экономически оправданным для не критичных применений, то должна применяться беспроводная технология. В настоящее время беспроводные сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area Network), беспроводные LAN (Wireless LAN) и беспроводные сети датчиков широко применяются на объектах автоматизации [1-4].
в каких ситуациях можно обойтись без кабеля?
Беспроводные решения могут применяться с гарантией, например, в следующих приложениях без создания угроз безопасности процесса:
• измерение уровня продукции в компаниях, занимающихся материальнотехническим обеспечением, ранее выполнявшееся вручную, например хранилищах вспомогательной продукции, где проводное решение или невозможно, или неэкономично из-за преград между диспетчерской и местом расположения хранилища;
• контроль окружающей среды, например измерение коррозии в ответственных точках с применением системы СоггТгап MV компании PepperL+Fuchs, когда требуется сокращение кабельной проводки;
• контроль рабочих устройств установок, которые приводятся в действие вручную, например шаровых клапанов, для уменьшения циклов управления или отказа от них и обеспечения лучшего обзора состояния технологической установки;
• проверка качества посредством циклически повторяемых измерений и прямой передачи в базу данных, минуя систему управления, параметров, имеющих отношение к качеству и не связанных с системой управления производственным процессом;
• оптимизация процесса и отслеживание аварийных режимов временно установленными беспроводными измерительными устройствами, которые измеряют второстепенные параметры процесса;
• управление производственным процессом на установке для производства вспомогательной продукции. Это экономит дорогостоящую кабельную проводку, которая требует контроля на каждой установке.
В этих применениях беспроводная технология улучшает информирование о состоянии производственной установки, перемещениях материалов и последовательности процесса. Это обеспечивает основу для оптимизации технологического процесса, управления ресурсами предприятия и решения относительно профилактического технического обслуживания.Беспроводная технология повышает экономичность технологических установок.
беспроводная технология уже здесь
В течение ряда лет разные поставщики предлагали изделия, которые обеспечивают беспроводное соединение.Однако такие решения являются дорогостоящими и поэтому не всегда вписываются в существующую структуру предприятия. В некоторых случаях возможны соединения только между двумя точками или передача только в одном направлении. К тому же совместимость между полевыми устройствами разных производителей не обеспечивается. Конечно, предлагаются решения, изготовленные по специальным требованиям заказчика, но они сравнительно дороги.
18 \\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
\\ № г \\ февраль \ зооэ
Рис. 2. Беспроводная сеть WirelessHART предлагает более высокую безопасность передачи данных вследствие использования альтернативных и резервированных каналов передачи
Заказчикам необходимы беспроводные системы, имеющие следующие характеристики:
• удобные и простые в эксплуатации;
• доступны в качестве стандартных решений различных изготовителей;
• удовлетворяют потребностям автоматизации процессов по показателям расстояния и надежности передачи.
В настоящее время есть такая система, она называется WirelessHART и работает на основе HART-протокола.
технология WIRELESSHART
теперь доступна
Технология WirelessHART встроена в широко применяемый стандарт HART, что подтверждается использованием в мире более 20 млн HART совместимых полевых устройств. HART-коммуникация изначально была представлена в качестве расширения возможностей стандартной токовой петли 4...20 мА для предоставления полевым устройствам более широкого спектра функций. Теперь настал очередной этап в эволюции HART. Стандарт WirelessHART опубликован в сентябре 2007 г., основан непосредственно на HART-протоколе, но свободен от физической среды передачи. Подробно протокол HART рассмотрен в многочисленных публикациях [5-8]. HART-устройства работают в нелицензи-руемом диапазоне 2,4 ГГц, используемом в качестве среды передачи несколькими беспроводными технологиями,включая беспроводную локальную сеть [2]. Таким образом, можно использовать WirlessHART без получения лицензии.
Эволюция технологии
В качестве физического уровня WirelessHART использует радиомодули, разработанные в соответствии с требованиями стандарта IEEE 802.15.4. На основе этого стандарта уже созданы беспроводные сети, например ZigBee и WLAN (беспроводные LAN). Преимуществом является то, что применяемые аппаратные средства уже весьма распространены. Однако отношение к WirelessHART, как к WLAN, является значительным упрощением.
Когда обычная беспроводная сеть WLAN может создать только двухточечное соединение, WirelessHART испольует сеть с одноуровневым кодированием (Flat Mesh Network), где все радио-
станции формируют сеть, в которой каждая задействованная станция служит одновременно источником и приемником сигнала. Исходный передатчик посылает сообщение ближайшему соседу, который пропускает это сообщение дальше, до тех пор, пока оно не достигнет базовой станции и получателя. Таким образом сеть покрывает большую площадь. Кроме того, на этапе инициализации устанавливаются альтернативные маршруты. В случае, если сообщение не может быть передано по определенному пути, например из-за препятствия или неисправного приемника, сообщение автоматически передается дальше по альтернативному пути. Дополнительно к охвату больших областей увеличивается надежность передачи (рис. 2).
Сетевой администратор является центральным компонентом сети. Сеть организуется централизованно сетевым администратором при включении. Он формирует сеть, устанавливает структуру коммуникации и определяет резервные пути. Сетевой администратор обнаруживает заново подключенные станции и объединяет их в существующую сеть во время функционирования, поэтому возможно ее расширение без проблем. Во время работы сетевой администратор контролирует все важные функции сети и все станции
и осуществляет коррекции в аварийных режимах.
Координация коммуникации в сети с одноуровневым кодированием осуществляется посредством метода множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access - TDMA), который синхронизирует радиостанции чрезвычайно точно с периодом синхронизации 10 мс. Таким образом, радиостанции регистрируют коммуникацию с точностью 10 мс. Это сокращает время опережения и запаздывания в те периоды, когда станция должна быть активной.
Для того чтобы избежать источников интерференции и не создавать помех другим радиостанциям в диапазоне частот 2,4 ГГц, WirelessHART использует метод скачкообразной смены рабочей частоты с расширением спектра (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS). Сейчас все 16 частот, определенные в стандарте IEEE 802, используются параллельно. Уже занятые каналы вносятся в «черный список» и больше не применяются для организации связи.
Сочетание точного времени синхронизации с 10 мс циклом (TDMA) и применение всех 16 каналов IEEE 802.15.4 (FHSS) обеспечивает всей сети до 1600 сеансов связи в секунду.
Структура сообщения имеет 128-битовое кодирование, учитывающее требова-
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ АВТОМАТИЗАЦИЯ \\ 19
АВТОМАТИЗАЦИЯ
Рис. 3. Решения Wireless могут быть интегрированы в существующую инфраструктуру
Wireless Access to Additional Process Measurements
Wireless Gateway Connection to Plant Systems
Minimal Installation Cost - No Wires
Battery, Sola і' or Field Powered Devices
Feld , Powisri-;!
Sola-
Pgtöferöö
Wireless ■ ■. BareWèÿ
PV +HART Data
Battery Г j.'feet
f
Host Appi саіійїі і
Рис. 4. Концепция WirelessHART делает возможной реализацию новых приложений
ния к безопасности информационного обмена. Таким образом, исключаются контроль сообщений и фальсификация используемых данных.
WirelessHART является симбиозом широко используемого и испытанного HART-протокола и беспроводной технологии, уже ставшей общепризнанной. HART-коммуникации для конфигурирования устройств, HART уже широко применяются для:
• контроля параметров измерительных приборов и окружающей среды;
• оптимизации управления ресурсами предприятия;
• профилактического технического обслуживания;
• контроля эксплуатационных показателей;
• управления потреблением энергии.
Требования этих приложений относительно доступности, путей передачи и скоростей хорошо согласуются с параметрами производительности,достижимыми средствами беспроводной технологии. Концепция ШігєієзбНАКТ также предлагает легкую интеграцию решений в существующую инфраструктуру (рис. 3) и открытость по отношению к новым компонентам (рис. 4).
ВСЕГО ЛИШЬ ТЕОРИЯ
ИЛИ ДОСТУПНЫЕ КОНЦЕПЦИИ?
Реализация концепции WirelessHART в настоящее время идет полным ходом. Компания Реррег^исі^ планирует выпустить в начале 2009 г. следующие устройства.
1. Шлюз WirelessHART в качестве центрального компонента, который исполь-
зуется для организации и управления беспроводной сетью и подключения ее к системе управления или SCADA-системе через промышленную сеть. Сигналы полевых устройств принимаются и передаются дальше через соответствующий сетевой протокол в промышленную сеть.
2. Адаптер WireLessHART, который формирует беспроводной канал передачи данных. Существующие полевые устройства могут быть оснащены этим адаптером (рис. 5). Планируются к выпуску три разных варианта:
• адаптеры, получающие питание через информационный канал, просто встраиваются в существующие контуры, где они получают энергию для функционирования. Существующая электрическая проводка применяется для пере-
20 \\ ТЕРРИТОРИЯ НEФTEГAЗ \\
\\ № г \\ февраль \ 2009
дачи стандартного сигнала 4...20 мА; HART-коммуникация осуществляется беспроводным путем через адаптер. Применение этого адаптера является низкозатратным способом расширения возможностей HART совместимых полевых устройств в существующих системах;
• адаптеры с батарейным питанием обеспечивают электропитанием от аккумуляторной батареи полевое устройство. При конфигурировании полевое устройство «пробуждается», считывается измеренное им значение, и полевой прибор выключается. Возможна реализация автономных измерительных станций. В зависимости от выбранных промежутков времени время работы от батарей может составлять несколько лет;
• модели с внешним электропитанием получают необходимую энергию для полевых приборов и адаптера. Во многих случаях подключение к внешнему источнику питания доступно непосредственно наустанов-ке, например, для снабжения насосов и клапанов. В том случае, если полевое устройство не подключается, адаптер может использоваться в качестве маршрутизатора, [ для того чтобы сделать беспроводную сеть плотнее, или моста для увеличения расстояния.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Беспроводная технология делает более эффективными существующие в промышленной автоматиза
ции приложения и реализацию новых рентабельных применений, которые ранее были невозможны. Концепция WirelessHART обеспечивает переход от частных решений к общему стандарту в технологическом процессе и дает возможность использования беспроводной технологии без разрушения существующей системы. Благодаря WirelessHART становятся доступными новые возможности для улучшения работы и управления установками, а также для оптимизации производственных и технологических процессов. Это достойный вклад в экономическую составляющую технологических процессов производства.
Рис. 5.
Ультразвуковой датчик уровня серии ШС-М с установленным адаптером WirelessHART
Г
Литература:
1. Ицкович Э.Л. Современные беспроводные сети связи в системах автоматизации на промышленных предприятиях//Датчики и системы. - 2008. - № 6.
2. Денисенко В.В. Беспроводные локальные сети // Современные технологии автоматизации. - 2009. - № 1.
3. Линке С.А. Коммуникационное оборудование в промышленности// Автоматизация в промышленности. - 2004. - № 8.
4. Егоров Е.В. Радиоудлинители входов/выходов - изящество простых решений// Автоматизация в промышленности. - 2004. № 8.
5. Половинкин В.М. HART-протокол// Современные технологии автоматизации. -2002. - № 1.
6. Корнова Т.П. HART-протокол и другие коммуникационные технологии, применяемые в России// Автоматизация в промышленности. - 2004. - № 8.
7. Десять наиболее распространенных заблуждений о технологии HART // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2005. - № 6.
8. Алан Р. Дьюи. Работа в команде - протоколы HART и Foundation Fieldbus взаимодействуют в интегрированной среде// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2007. - № 3.
WWW.NEFTEGAS.INFO
PEPPERL+FUCHS
PROTECTING YOUR PROCESS
Созданы для безопасной работы
во взрывоопасных зонах
Взрывозащищённые персональные компьютеры и мониторы серии УІ8и№1 предназначенные для создания человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) во взрывоопасных зонах с применением стандартной сетевой технологии ЕМегпеІ для передачи данных.
Установка во взрывоопасных зонах классов 1,2 и 22
Взрывозащищённые диспетчерские блоки контроля и индикации серии ТЕИМЕХ с монохромными графическими/текстовыми ЖК-дисплеями для подключения к ПЛК и системам с применением ПК.
Установка во взрывоопасных зонах классов 1,2 и 22
Все оборудование сертифицировано и имеет Разрешение Ростехнадзора РФ
Официальный дистрибьютор продукции РеррегІ+РисІгс в странах СНГ
Лю&мт®
МОСКВА (495) 234-0636 • (495) 234-0640 ¡nfo@prosoft.ru • www.prosoft.ru С.-ПЕТЕРБУРГ (812) 448-0444 • (812) 448-0339 ¡nfo@spb.prosoft.ru • www.prosoft.ru ЕКАТЕРИНБУРГ (343) 376-2820 • (343) 376-2830 info@prosoftsystems.ru • www.prosoftsystems.ru САМАРА (846) 277-9166 • (846) 277-9165 ¡nfo@samara.prosoft.ru • www.prosoft.ru НОВОСИБИРСК (383) 202-0960; 335-7001; 335-7002 ¡nfo@nsk.prosoft.ru • www.prosoft.ru КАЗАНЬ (843) 291-7555 info@kzn.prosoft.ru • vrw.prosoft.ru УФА (347) 2925-216; 2925-217 • (347) 2925-218 |
¡nfo@ufa.prosoft.ru • www.prosoft.ru
